71760

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (Часть 1)

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

Измерение твердости, вследствие быстроты и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия судить о его свойствах, получило широкое применение для контроля качества металла в металлических изделиях и деталях. Существует целый ряд методов измерения твердости...

Русский

2014-11-11

1.87 MB

27 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT 2

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Технологии металлов»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум

Часть 1

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов дневной и заочной форм обучения

Могилев 2007


УДК 620.22

ББК

Рекомендовано к опубликованию

учебно-методическим управлением

ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет»

Одобрено кафедрой «Технология металлов» «31» августа 2007г.,

           протокол № 1

Составители: д-р техн. наук, проф. Ф.Г. Ловшенко

                        канд. техн. наук, доц. Г.Ф.Ловшенко

                                                  ст. преподаватель А.И.Хабибуллин

Рецензент канд.техн.наук, доцент Н.С.Гарлачов Н.С.

 Изложены основные теоретические положения и методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Материаловедение»: «Определение твердости металлов и сплавов», «Визуальный спектральный анализ на стилоскопе типа СЛ-11а», «Макроскопический метод исследования металлов и сплавов», «Микроскопический метод исследования металлов и сплавов», «Построение диаграммы состояния методом термического анализа», «Анализ диаграмм состояния двойных сплавов», «Определение критических точек стали методом пробных закалок», «Структура и свойства углеродистой стали в равновесном состоянии».

Учебное издание

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Ответственный за выпуск             Г.Ф.Ловшенко        

Технический редактор                А.Т.Червинская

Компьютерная верстка               Н.П.Полевничая

Подписано в печать       Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.

Печать трафаретная .Усл. печ. л.   Уч. -изд. л.  Тираж 315 экз.  Заказ №

Издатель и полиграфическое исполнение:

Государственное учреждение высшего профессионального образования  

«Белорусско-Российский университет»

212005, г. Могилев, пр. Мира, 43

© ГУ ВПО «Белорусско-Российский

университет», 2007

Содержание

стр.

1 Лабораторная работа № 1. Определение твердости металлов и сплавов

4

2 Лабораторная работа № 2. Визуальный спектральный анализ на стилоскопе типа СЛ-11А

7

3 Лабораторная работа № 3. Макроскопический метод исследования металлов и сплавов

11

4 Лабораторная работа № 4. Микроскопический метод исследования металлов и сплавов

20

5 Лабораторная работа № 5. Построение диаграммы состояния методом термического анализа

27

6 Лабораторная работа № 6. Анализ диаграмм состояния двойных сплавов

32

 7 Лабораторная работа № 7. Определение критических точек стали методом пробных закалок

39

8 Лабораторная работа № 8. Структура и свойства углеродистой стали в равновесном состоянии

42


Список литературы

48

 Лабораторная работа № 1. Определение твердости металлов и сплавов

Цель работы: ознакомление с основными методами измерения твердости и микротвердости, приобретение практических навыков в работе с приборами для измерения твердости.

Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое. 

Измерение твердости, вследствие быстроты и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия судить о его свойствах, получило широкое применение для контроля качества металла в металлических изделиях и деталях. Существует целый ряд методов измерения твердости: статические, динамические, специальные. Наибольшее применение в промышленности нашли статические методы по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу, схема реализации которых приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схема определения твердости по Бринеллю (а), Роквеллу (б) и Виккерсу (в).

Определение твердости по Бринеллю. Сущность метода  заключается во вдавливании стального шарика диаметром D, мм, в образец (изделие) под действием нагрузки F, Н, и измерении диаметра отпечатка d, мм, после снятия испытательной нагрузки (рисунок 1,1 а) (ГОСТ 9012-59 , СТ СЭВ 468-77).

Твердость определяют по формуле, как отношение приложенной нагрузки к поверхности сферического отпечатка:

HB = ,

где F – прилагаемая нагрузка, Н;

    D – диаметр шарика, мм;

      d – диаметр отпечатка, мм.

Применяются шарики диаметром 1,0; 2,0; 2,5; 5,0; 10,0 мм. Нагрузка изменяется в пределах 49,03-29420 Н.

Для железа, стали, чугуна и других прочных сплавов рекомендуются следующие условия испытаний: D = 1,0 мм, F = 294,2 H;  D = 2 мм, F = 1177 H; D = 2,5 мм, F = 1839 H; D = 5,0 мм, F = 7355 H; D = 10,0 мм, F = 29420 H. Минимальная толщина испытуемого образца – 0,09 мм. При этом испытания проводятся  шариком диаметром 1,0 мм при нагрузке 49,03 Н. Наиболее часто определение твердости осуществляется шариком диаметром 10,0 мм при нагрузке 29420 Н и продолжительностью выдержки под нагрузкой 10 с. В этом случае твердость обозначается цифрами, характеризующими ее величину, и буквами НВ, например: 170 НВ. При других условиях испытаний после букв НВ указываются условия испытания в следующем порядке D (в миллиметрах), F(в ньютонах) и время выдержки под нагрузкой (в секундах), например: 190 НВ 5/7350/20.

Между временным сопротивлением и числом твердости НВ существует следующая зависимость: для стали В = 0,34 НВ, для алюминиевых сплавов

В = 0,35 НВ и для медных сплавов В = 0,45 НВ.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для стали с твердостью более 450 НВ, а для цветных металлов – более 200 НВ. При использовании вместо стального твердосплавного шарика предельное значение твердости не должно превышать 650 единиц. В этом случае в обозначение твердости вводится дополнительно буква W, например: 570 HBW.

Определение твердости по Роквеллу. Сущность метода  заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом с углом у вершины 120° (шкалы А и С) или со стальным шариком диаметром 1,5875 мм (шкала В) в испытуемый образец под действием последовательно прилагаемых предварительной Fo  и основной F1  нагрузок и измерений остаточного увеличения глубины внедрения наконечника е (е = (h - ho)/0,002) после снятия основной нагрузки в единицах измерения 0,002 мм (ГОСТ 9013-59, СТ СЭВ 469-77). При испытании с использованием шкалы А нагрузка составляет 588 Н, шкалы В – 980 Н, шкалы С – 1470 Н.

Схема определения твердости по Роквеллу приведена на рисунке 1, б. Под нагрузкой Fo индикатор прибора вдавливается в образец на глубину hо. Затем на испытуемый образец подается полная нагрузка F = Fо + F1 и глубина погружения наконечника возрастает. После снятия основной нагрузки F1 прибор показывает число твердости по Роквеллу HR. Чем меньше глубина вдавливания h, тем  выше  твердость испытуемого материала. Единица твердости по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индикатора на 0,002 мм.

Числа  твердости  определяются по формулам:

HRC (HRA) = 100 - е;

                                                 HRB = 180 - e.

Пределы измерения твердости по шкале А – 70-85 единиц, шкале В – 25-100 единиц, шкале С – 22-63  единицы.  Условная запись твердости для шкалы А – HRА, шкалы В – HRB, шкалы С – HRC. Например, 60 HRC (твердость 60 единиц по шкале С). Шкала А используется для измерения твердости очень твердых, но хрупких материалов и тонких поверхностных слоев (0,5-1,0 мм). По шкале В определяют твердость сравнительно мягких материалов (<400 HB). Шкала С используется для испытания материалов, имеющих высокую твердость (>450 НВ). В настоящее время применяется обозначение HRCэ – это твердость,  воспроизводимая   государственным    специальным эталоном (ГОСТ 8.064-79).

Твердость по Виккерсу. Метод (ГОСТ 2999-75 (СТСЭВ470-77)) заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды (угол при вершине 136о), в образец (изделие) под действием нагрузки F (в ньютонах) и измерении диагонали отпечатка d (в миллиметрах), оставшегося после снятия нагрузки (рисунок 1, в). Нагрузка может изменяться в пределах 9,8-980 Н.

Твердость по Виккерсу определяется по формуле

HV = 0,189.

Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка.

В случае испытания при нагрузке 294 Н и времени выдержки 10-15 с условное обозначение твердости по Виккерсу HV (например, 430 HV). При других условиях испытаний после букв указывается нагрузка (в ньютонах) и продолжительность выдержки под нагрузкой (в секундах) (например, 250 HV 10/40).

Методы НВ и HRB применяются для мягких материалов, HRC – для твердых, а методы HRA и HV для тонких слоев (листов).

Задание по работе

1 Изучить методы определения твердости, законспектировав основные положения.

2 Освоить методику измерения твердости на имеющихся в лаборатории приборах.

3 Провести контрольные замеры твердости.


Лабораторная работа № 2.
Визуальный спектральный   анализ на

стилоскопе  типа CЛ-11А

Цель работы: ознакомление с методикой спектрального анализа.

Спектральный анализ – один из наиболее распространенных современных физических методов определения химического состава металлов и сплавов в заводской практике.

Сущность спектрального анализа состоит в следующем. Анализируемое вещество, приведенное в состояние свечения, дает ценную информацию о своем составе посредством характеристического излучения. Металл превращается в пар с помощью дугового электрического разряда. Полученный пар «возбуждается», т. е. к его свободным атомам подводится дополнительная энергия, в результате чего наружные легкоподвижные электроны оболочки атома переходят из  своего нормального энергетического состояния в более высокое –  «возбужденное». Возвращаясь затем спонтанно в нормальное состояние, атомы излучают полученный ими при возбуждении избыток энергии в виде света определенной волны. Различные атомы данного элемента могут возбуждаться по-разному и испускать свет различных длин волн, который называется эмиссионным спектром. Для каждого элемента спектр вполне определен и характерен.

Превращение в пар, возбуждение атомов и излучение света осуществляется с помощью дугового и искрового разрядов, образующихся между двумя электродами, одним из которых служит исследуемый образец, а вторым – «подставной» стержень или диск из какого-либо чистого металла.

В данной работе рассматривается визуальный спектральный анализ по спектрам испускания атомов вещества. Это раздел прикладной спектроскопии получил широкое распространение в промышленности.

Визуальный спектральный анализ с помощью спектроскопов, снабженных окуляром для рассматривания спектра в увеличенном виде (стилоскоп), предназначены для качественного и полуколичественного анализов. По характеру излучения (длине волн) и с помощью таблиц можно определить наличие того или иного элемента, присутствие которого в светящихся парах становится несомненным. Количественный анализ основан на существовании определенной связи между числом светящихся атомов (концентрацией) и измеряемой в процессе анализа интенсивностью света соответствующих длин волн (визуально).

Визуальный способ наблюдения допускает использование лишь «видимого» участка спектра с длинами волн от 4000 ∙10-10 до 7000 ∙ 10-10 м.

Особенности спектрального анализа заключаются в следующем:

─ высокая скорость анализа (1─2 мин.);

─ высокая чувствительность;

─ универсальность аппаратуры;

─ низкая стоимость анализа (в 525 раз меньше стоимости химического анализа) при сравнительно высокой стоимости основного оборудования;

─ анализу может быть подвергнута любая деталь.

Стилоскоп СЛ-11А предназначен для экспрессных анализов сталей и цветных сплавов, в точности которых не предъявляется высоких требований. Исследуемый образец практически не повреждается.

Анализ с помощью стилоскопа заключается в следующем: между анализируемым образцом и электродом зажигается электрическая дуга или искра. Их излучение с помощью трехлинзового осветителя направляется в щель стилоскопа и проходит через фокусирующее устройство и диспергирующую (разлагающую) систему. Исследователь рассматривает в окуляр ряд изображений входной щели в виде тонких линий, число которых соответствует числу отдельных длин волн, составляющих входящий в щель пучок света. Совокупность этих изображений (линий), называемая линейчатым спектром, отображает эмиссионный спектр данного источника света.

Рисунок 2.1 – Оптическая схема стилоскопа

Оптическая схема представлена на рисунке 2.1. Свет от дуги с помощью трехлинзовой осветительной системы 13, 14, 15 равномерно заполняет щель 1, отражательная призма 2 направляет пучок на объектив, в фокусе которого помещена щель, полученный параллельный пучок попадает на диспергирующие призмы 4 и 5. Большой катет призмы 5 с преломляющим углом 30о посеребрен, поэтому лучи отражаются от него, проходят в обратном направлении через призмы на объектив и попадают на прямоугольную призму 6 и зеркало 7, которые направляют их в окуляр 8. В фокальной плоскости окуляра расположен фотометрический клин 9, позволяющий выравнивать интенсивности аналитических линий, что упрощает проведение количественного анализа. Более точно сравнивать интенсивность спектральных линий позволяет фотометр, которым снабжены такие спектроскопы, как стилометры.

Стилоскоп состоит из следующих составных частей (рисунок 2.2): осветительной системы, щели с объективом, отражательной призмы, диспергирующей системы и окулярной головки. Все эти части помещены внутри корпуса.

На основании 11 смонтирован столик 12 для установки образцов. Щель постоянной ширины 0,02 мм нанесена на стеклянной пластинке, склеенной с третьей линзой осветителя.

Рисунок 2.2 – Устройство стилоскопа

Диспергирующая система состоит из двух призм (см. рисунок 2.1): одна с преломляющим углом 60о закреплена неподвижно, другая с преломляющим углом 30о может поворачиваться вместе со своим мостиком, вследствие чего спектр перемещается в поле зрения окуляра. Поворот призмы осуществляется маховиком 16 (см. рисунок 2.2), соединенным с барабаном, на котором нанесены равномерная шкала 17 с ценой деления 2 и шкала 18 с символами химических элементов. При совмещении символа с отсчетным штрихом барабана в поле зрения окуляра появляется соответствующая группа линий.

На кронштейне окулярной головки расположены прямоугольная призма, зеркало, фотометрический клин со шкалой и окуляр 19 в оправе.

На основании прибора расположен кронштейн 22 (см. рисунок 2.2) с держателем 23, в котором можно устанавливать дисковый электрод 24. Держатель электродов можно перемещать по высоте маховиком 25, в направлении, перпендикулярном оптической оси, – маховиком 26, и в случае применения дискового электрода вращать маховичком 27. В качестве источника возбуждения спектра служит генератор 31.

Анализируемый образец помещают на столик 28, зажигают дугу, для чего переключатель 37 устанавливают в положение «дуга» или «искра», переключатель 32 –  в положение «2»А или «», подводят провод питания от сети и устанавливают переключатель 33 в положение «вкл». Наблюдая в окуляр прибора маховиком 16 приводят на средину поля зрения требуемую область спектра.

Для проведения качественного анализа необходимо сложное излучение светящихся паров разложить на простые монохроматические лучи, определить их длины волн и с помощью таблиц (прилагаются к прибору) установить принадлежность их к спектрам того или иного элемента. Характерные линии хрома появляются в зеленой части спектра, а вольфрама – в синей.

Количественный анализ (примерная концентрация элемента) определяется посредством специальных таблиц по сравнительной интенсивности характерных линий искомого элемента и соседних определенных линий основного элемента (в сталях линия железа), интенсивности которых приняты за стандарт. Имея приготовленную фотографию выбранных линий (для определения того или иного элемента) можно легко установить наличие их в спектре и констатировать присутствие искомого элемента. Для определения точного места нахождения определяемой линии или группы линий необходимо изучить находящиеся вблизи линии по взаимному расположению (пары линий, одиночные и т. д.), интенсивности. Наблюдая спектр, можно оценить содержание интересуемого элемента в веществе, исходя из яркости его спектральных линий. Чем больше содержание данного элемента в исследуемом образце, тем интенсивнее линии этого элемента. Необходимо внимательно оценить интенсивность линий определяемого элемента относительно линий сравнения (линий железа). Например, запись 0,3 % - 1 Cr - 7 расшифровывается следующим образом. Сравнивая первую линию хрома седьмой группы по интенсивности (яркости) с седьмой стандартной линией железа определенной длины волны имеем 0,3 % Сr в исследуемом образце. Проанализировав таким образом несколько записей, можно определить примерное количество (с одним знаком после запятой) того или иного элемента в образце.

 Задание по работе

                                                                              

1 Ознакомиться с основным принципом действия и устройством стилоскопа. Кратко изложить сущность визуального метода. Описать основные части стилоскопа.

2 Ознакомиться с полным спектром железа и для приобретения навыков отыскания нужных линий спектра построить дисперсионную кривую зависимости длины волны (приведенной на спектре железа) от угла поворота призмы (по положению отсчетного барабана).

3 Провести качественный и полуколичественный анализ того или иного элемента в стали или сплаве. Зарисовать группу линий, по которой производили анализ образца, и привести результаты исследований.


Лабораторная работа № 3. М
акроскопический метод исследования металлов и сплавов

Цель работы: ознакомление с методикой проведения макроскопического анализа; изучение поверхностей деталей, изломов, макрошлифов; выявление макродефектов и причин разрушения металлов; приобретение навыков зарисовки макроструктур.

Изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом, а также при помощи лупы или бинокулярного микроскопа при увеличениях до 30 раз носит название макроскопического метода исследования или  макроанализа.

Строение металлов, изучаемое при помощи макроанализа, называется макроструктурой. Макроскопическому исследованию могут подвергаться различные объекты: поверхности неразрушенных изделий (отливки, поковки); изломы изделий; макрошлифы нетравленые или с выявленной специальными методами структурой.

Микроанализ дает представление об общем строении  металла, позволяет оценить его качество после различных видов обработки: литья, обработки давлением и пр. С помощью макроанализа можно определить:

─ различные поверхностные дефекты  заготовок;

─ вид излома ─ вязкий, хрупкий, нафталинистый, усталостный и др.

─ нарушения сплошности металла ─ усадочная рыхлость, центральная пористость, свищи, дефекты сварки  (непровары, газовые пузыри) и др.;

─ дендритное строение, зону транскристаллизации, размеры и ориентацию зерен в литом металле;

─ химическую неоднородность литого металла (ликвацию) и присутствие в нем грубых инородных включений;

─ волокнистую структуру деформированного металла;

─ структурную или химическую неоднородность металла, созданную термической или химико-термической обработкой и др.

Макроанализ излома металла. Излом может быть различным по форме, виду и способности к отражению  света. По виду излома устанавливают характер и причины разрушения изделия, неоднородность структуры, обусловленную термической и химико-термической обработкой (толщину цементованного, закаленного, обезуглероженного слоя) и другие особенности строения.

Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. В нем обычно можно видеть форму и размер зёрен металла. Такой излом проходит или по границам зёрен (межкристаллический) или по зернам (транскристаллический) (рисунок 3.1). Его разновидностями являются нафталинистый, камневидный. Вязкий излом имеет волокнистое строение. Из-за значительной степени пластической деформации форма и размеры зёрен не различаются.

          

    Рисунок 3.1 – Нафталинистый излом     Рисунок  3.2 – Камневидный излом           

Усталостный излом имеет две зоны разрушения: усталостную с мелко-зернистым, фарфоровидным, часто ступенчато-слоистым строением, иногда с отдельными участками блестящей гладкой поверхности и зону обычного вязкого или хрупкого разрушения (см. образец 3).

В некоторых случаях излом бывает смешанный - кристаллический на одних участках и волокнистый на других.

Макроанализ шлифов. Образцы (темплеты) для макроанализа вырезают из наиболее характерных участков заготовок. Например, при исследовании разрушенных изделий макрошлиф должен выявлять те дефекты, которые предположительно явились причиной разрушения. При контроле качества слитков и др. видов металлопродукции места отбора проб указываются в специальных стандартах.

Направление вырезки образцов выбирается в зависимости от целей анализа. При изучении строения слитка обязательны продольный осевой разрез.  Макроструктуру катаных заготовок, как правило, изучают в поперечном сечении, кованых - в поперечном или продольном сечениях и т. д.

Для отбора проб пригодны все способы, но, не вызывающие изменения структуры. Последующая обработка образцов заключается в шлифовании их с охлаждением на станках или с помощью тонкой шлифовальной бумаги. Со шлифованной поверхности удаляются следы грязи, масла и т. д. Ряд дефектов макроструктуры уже могут быть рассмотрены на подготовленном таким образом макрошлифе, но в большинстве случаев требуются дополнительные меры для их выявления. Они делятся на три основные группы:

1 Метод глубокого травления, позволяющий выявить трещины различного типа, обезуглероженный или цементованный слой, дендритную структуру и т. д.

2 Метод поверхностного травления, позволяющий выявить отдельные детали структуры (размеры зерна, направление роста кристаллов, неоднородность структуры), макроструктуры сварного шва и др.

В состав реактивов входят различные кислоты, соли и др. вещества. Наиболее простые составы реактивов: 10 – 25–процентный водный раствор азотной кислоты, 50–процентный водный раствор соляной кислоты и др. Время воздействия реактива на поверхность шлифа колеблется от 0,5–  1,0 мин до 2,0 ч.

3. Метод отпечатков, позволяющий получить изображение макроструктуры на фотобумаге, фотопленке или материи. При этом материал с нанесённым на него реактивом прижимается к поверхности шлифа, реактив реагирует с определенными структурными составляющими, в результате чего происходит характерное окрашивание определенных участков. Этим методом определяют в сталях количество, размер и форму зернистых включений, распределение оксидных включений, фосфора.

Дефекты макроструктуры

Центральная пористость в непрерывнолитой заготовке (рисунки 3.3, 3.4).

Рисунок 3.3 – Единичная пора                   Рисунок 3.4 – Скопление  пор

Причины возникновения: не обеспечивается достаточное поступление жидкого металла в объемы, где заканчивается затвердевание.

Предупреждение – Оптимальная температура металла при разливке, соблюдение скорости разливки.

Примечание Если усадочные поры не вскрыты, то при горячей деформации они заваривается.

Усадочная раковина – полость, возникающая в прибыльной части слитка вследствие усадки стали (см. образец 4). При неполном удалении прибыли остатки усадочной раковины  переходят в прокат. Выявляются в изломе в виде темных полос, расслоений, стенки которых содержат неметаллические и шлаковые включения.

Пузыри представляют собой грубые поры, которые могут быть групповыми и одиночными, располагаться по всему сечению, в центре или у поверхности слитка или заготовки.

Пористость по оси – мелкие пустоты, не заварившиеся при горячей  обработке давлением слитка (рисунок 3.5). На макрошлифе пористость выявляется в виде темных точек различного размера. Развитие дефекта определяется количеством, размерами отдельных пор и площадью образца. Пористость оценивается соответствующим баллом.

Пористость по сечению - мелкие травящиеся точки, расположенные по всему сечению макрошлифа (рисунок 3.6).

Рисунок  3.5 – Пористость по оси     Рисунок 3.6 – Пористость по сечению

Причины возникновения: Недостаточное раскисление стали, при затвердевании из жидкой стали не полностью удалены газы.

Подкорковые пузыри – представляют собой внешний «контур» газовых раковин, характерный для кипящих сталей. Расположены очень близко к поверхности и обнажаются при нагреве слитка и последующей прокатке в виде дефектов округлой или овальной формы.

Пустоты различной величины и формы, чаще одиночные, образуются вследствие раскрытия и неполной заварки термических трещин и называются скворечниками. Вокруг дефекта отсутствуют ликвация углерода, серы и фосфора, а также неметаллические включения. Скворечники следует отличать от внутренних разрывов, образующихся при неправильном режиме горячей пластической деформации. Такие разрывы оказываются неодиночными и имеют меньшие размеры, чем скворечник.

Ковочные трещины. Неверный режим ковки может вызвать появление ковочных трещин, которые появляются внутри заготовки около осевой зоны в виде трещин по диагоналям (ковочного креста), либо нескольких трещин, направленных от оси заготовки в стороны  (см. образец  5).

Рванины – раскрытые разрывы, образовавшиеся вследствие пониженной пластичности металла, расположенные поперек направления деформации (см. образец 6). Причиной понижения пластичности может являться перегрев металла или слишком низкая температура заготовки перед горячей ОМД. Дефекты имеют вид разветвленных разрывов с окисленной поверхностью.

Осевые интеркристаллитные  трещины в отличие от ковочных более прямолинейные и широкие. В изломе межкристаллитные трещины имеют вид грубых окисленных расслоений. Вследствие чрезмерного повышения температуры, вызывающего диффузию кислорода вдоль границ зерен, возникает явление внутреннего пережога. На темплете пережог выглядит в виде сильно разветвленных трещин, часто расположенных в виде сетки (рисунок 3.7). В процессе горячей пластической деформации при пережоге может произойти разрушение по границам зерен.  Такой вид дефекта называется черновиной, которая на макрошлифе выявляется в виде рыхлой, сильно травящейся зоны.

Рисунок  3.7 – Пережег

Внутренние трещины от напряжений обусловлены чрезмерно высокими внутренними напряжениями, возникающими в процессе формирования заготовки, и пониженной прочностью и пластичностью стали в различных температурных интервалах. Внутренние трещины распространяются по межосным пространствам дендридной структуры, обогащены ликватами.

Степень развития трещин зависит от величины напряжений, а также от содержания в металле вредных примесей.

Диагональные трещины (рисунок 3.8) возникают, как правило, вследствие неравномерного охлаждения слитка в кристаллизаторе. Трещины, расположенные перпендикулярно к поверхности заготовки возникают из-за резкого охлаждения, из-за высоких напряжений, появляющихся при деформации поверхности заготовки.

Меры предупреждения ─  Регламентировать  содержание вредных примесей в металле, соблюдать температурный интервал разливки, оптимизировать процесс ОМД (не превышать предельно допустимые значения скорости и степени деформации).

Примечание ─ Трещины, не выходящие на поверхность заготовки,  завариваются при горячей деформации, так как границы их не окислены.

Рисунок 3.8 – Диагональные  трещины

Флокены – тонкие извилистые трещины длиной до 30 мм, образующиеся в стали при повышенном содержании водорода (рисунок 3.9). В изломе флокены выявляются в виде округлых или эллиптических пятен серебристого или светлого оттенка. При последующей горячей деформации в заготовке могут образоваться  скворечники  от флокенов (рисунок 3.10).

Рисунок  3.9 – Флокены                             Рисунок  3.10 – Скворечник                                   

Шлифовочно-травильные трещины являются результатом слишком сильного прижима металла при шлифовании очень твердым абразивным кругом и недостаточного охлаждения металла. Они имеют вид сетки, расположенной перпендикулярно к направлению шлифовки (см. образец 7).

Свищи в прокате представляют собой крупные газовые включения, располагающиеся отдельно или группами по сечению заготовки. Выявляются в виде отдельных крупных пустот и пор круглой, овальной или вытянутой формы (рисунок 3.11).

Ликвация – неоднородность отдельных участков металла по химическому составу и структуре. 

Пятнистая неоднородность выявляется в виде отдельных темных пятен различных размеров и форм. В зависимости от расположения пятен на мак-

            

Рисунок  3.11 – Свищи

                                 

рошлифе различаются общая и краевая пятнистые неоднородности. Общая пятнистая неоднородность представляется в виде темных пятен,  расположенных по сечению заготовки симметрично к её оси. Краевая пятнистая неоднородность – пятна, ориентированные вдоль граней проката.

Ликвационный квадрат представляет собой контуры ликвации, определяемые конфигурацией слитка (рисунок 3.14). На темплете выглядит в виде полоски металла, травящейся   более интенсивно, чем остальная часть макрошлифа.  В прокате можно также наблюдать ликвационный круг.

Инородные металлические или неметаллические включения – кусочки различного рода нерастворившихся ферросплавов, утеплительных засыпок, шлака или случайно попавших в слиток частичек окисленного металла. Имеют различную с основным металлом травимость. В прокате обнаруживаются в виде волосовин (рисунок 3.12), расслоений (рисунок 3.15) или неправильных по форме полостей, заполненных и окруженных неметаллическими включениями (рисунок 3.13). Классификация дефекта подтверждается анализом химического состава и макроструктуры.

Краевые дефекты – участки различной травимости металла по краю темплета, сопровождающиеся загрязненностью неметаллическими включениями. Дефекты образуются при кристаллизации слитка и остаются вблизи поверхности при недостаточной обдирке слитка. К краевым дефектам относится местная грубая неоднородность, сопровождающаяся неметаллическими включениями, газовыми пузырями, свищами.

                 

Рисунок  3.12 – Волосовины                         Рисунок 3.13 – Включения шамота

                  

Рисунок  3.14 – Ликвация                           Рисунок  3.15 – Расслоения

Дефекты поверхности

1 Трещины от напряжений – угловые, поперечные, продольные – обусловлены, соответственно, искажением профиля; высокой скоростью разливки металла, высоким содержанием вредных примесей, неравномерным затвердеванием, трением слитка в кристаллизаторе и другими причинами, вызывающими высокие термические и фазовые напряжения.

2 Поры возникают из-за избыточной влажности, газовыделения формы или смазки кристаллизатора, недостаточной раскисленности стали.

3 Загрязнения на поверхности заготовки, вкатанные металлические и неметаллические частицы – скопления неметаллических включений в виде пристывших, прикатанных  кусочков шлака, металла или инородных частиц (см. образец 8), попавшим в металл вследствие размыва огнеупоров ковша,  переполнения металла в калибрах.

4 Отслоения возникают на поверхности проката из-за наличия газовых пузырей, неметаллических включений, усадочной раковины и т. д. (см. образец 9).

5 Раскатанные дефекты – пузыри, имеют вид прямолинейных продольных  групповых трещин на поверхности проката; продольные трещины ─ подобны предыдущему дефекту, но более грубые, чаще одиночные (стенки покрыты окалиной и обезуглерожены);   корочки выглядят в виде частичного местного отслоения металла или разрывов поверхности.

6 Рябизна – углубления от вдавленной окалины, образовавшиеся при ковке, прокатке или правке металла (см. образец 10).

7 Закат – прикатанный продольный выступ металла, с одной или двух диаметрально противоположных сторон, образовавшийся в результате вдавливания уса, подреза (см. образец 11).

Дефекты формы

1 Раздутие (выпуклость) заготовки возникает из-за деформации корки заготовки под действием статического давления жидкого металла при недостаточном охлаждении в кристаллизаторе или при износе его гильз.

2 Отклонения от формы овал, неквадратность и др.

3 Усы – продольные выступы на поверхности профилей проката, возникающие из-за неправильной калибровки, выработка калибра, низкой температуры деформируемого металла (см. образец  12).

В сварных соединениях могут иметь место следующие дефекты: горячие трещины, холодные трещины, зоны несплавления, непровары, подрезы, наплывы, прожоги и др.

Задание по работе

1 Изучить сущность, возможности и методы макроанализа.

2 Изучить основные виды макродефектов  заготовок, сварных соединений и готовых изделий.

3 Определить и описать вид излома предложенного образца.

4 Для четырех образцов (выдаются по бригадам или индивидуально):

─ определить вид дефекта.                                             

─ зарисовать его и дать описание.     

─ установить причину его возникновения (используя материал курса        "Технология конструкционных материалов" и данной инструкции). 

─ дать рекомендации для его устранения.

─ описать возможные последствия его влияния на эксплуатационные характеристики металлоизделий.


Лабораторная работа № 4.
Микроскопический метод исследования металлов и сплавов

Цель работы: ознакомление с процессом приготовления микрошлифов, изучение устройства металлографического микроскопа и приобретение практических навыков работы на нем, проведение микроанализа сплавов и приобретение навыков зарисовки простейших микроструктур.

Микроскопический метод исследования металлов и сплавов, или кратко микроанализ, изучает структуру (строение) металла при помощи микроскопа на специально приготовленных образцах.

Строение (структура) металлов, изучаемое при микроанализе, называется микроструктурой.

Для микроанализа изготавливают шлиф, в случае необходимости производят травление выбранной для исследования поверхности шлифа специальными реактивами, исследуют структуру при помощи микроскопа.

Образец металла, подготовленный для микроанализа, называют микрошлифом.

Приготовление микрошлифа состоит в вырезании образца, шлифовке и полировке до зеркального блеска его поверхности, выбранной для исследования.

Обычно шлифы имеют диаметр 12 мм в случае цилиндрического образца и 12х12 мм – в случае образца прямоугольной формы. Высота образцов составляет 1015 мм.

Вырезанный образец обрабатывается абразивным кругом (зернистостью 46 и 60 мкм) с периодическим охлаждением. Затем образец шлифуется шлифовальной бумагой с  постепенным переходом от бумаги марки № 123 с зернистостью от 125 до 20 мкм к бумаге марки М-40 М-5 с зернистостью  от 28 до 3,5 мкм до полного удаления рисок. При переходе от одного номера зернистости к другому необходимо очищать образец от абразива и менять направление шлифовки на 90°.

Для шлифовки образцов кроме шлифовальной бумаги можно применять специальные пасты. Паста ГОИ, в состав которой входят оксид хрома, стеарин, олеиновая кислота, сода, керосин, применяется для шлифовки черных металлов и имеет три сорта зернистости (тонкая, средняя, грубая).

После окончательной шлифовки образец тщательно очищается от абразива и полируется до полного исчезновения рисок.

Предварительная  полировка  ведется  на  вращающихся  кругах, обтянутых грубым сукном, на которое периодически наносится водная взвесь оксида хрома, алюминия или других оксидов в виде мелкодисперсных порошков. Окончательная полировка ведется на тонком мягком сукне (фетре), смачиваемом тонкой взвесью тех же оксидов.

При исследовании поверхности металла под микроскопом непосредственно после полировки можно обнаружить на общем светлом поле отдельные темные или серые точки и линии, которые могут представлять собой неметаллические включения (оксиды, сульфиды, шлаки, силикаты, графит, нитриды), так и не устраненные полировкой дефекты поверхности образца (раковины, микротрещины, следы обработки).

Для выявления полной картины микроструктуры металла образец подвергают травлению, которое позволяет определить число, размеры, форму, взаимное расположение и количественное соотношение фаз и структурных составляющих. Перед травлением поверхность микрошлифа, подготовленного для исследования, обезжиривается спиртом, а затем погружается в реактив на необходимое для выявления микроструктуры время. Травление заключается во взаимодействии металла поверхности микрошлифа с химически активными растворами щелочей, солей, кислот в спирте или в воде в зависимости от свойств и строения исследуемого металла. При травлении реактив взаимодействует с различными участками поверхности микрошлифа не одинаково, что приводит к разной степени их травимости.

Например, даже в однофазном металле зерна имеют различную кристаллографическую ориентировку, и поэтому в поверхности микрошлифа зерна будут срезаны по разным кристаллографическим плоскостям, которые будут травиться неодинаково (рисунок 4.1). В результате после травления поверхность микрошлифа будет иметь сложный микрорельеф, характеризующий строение металла.

1 – поверхность образца; 2 – поверхность микрошлифа

Рисунок 4.1 – Поверхностный слой микрошлифа до и после травления

В случае многофазных сплавов степень травимости будет еще более различна. Взаимодействие металла с реактивом обычно идет по следующей схеме. Так как структура поверхности микрошлифа неоднородна, то, следовательно, различные ее составляющие имеют различный электродный потенциал и при погружении в реактив поверхность будет представлять собой целый комплекс микрогальванических элементов. Участки поверхности микрошлифа с более низким потенциалом играют роль анодов и будут растворяться. Более интенсивно протравливаются границы зерен металла, которые кроме несовершенств строения обычно больше обогащены различными примесями, чем само зерно, а это способствует образованию микрогальванических элементов. В результате на границах зерен после травления образуются углубления.

Например, железоуглеродистые сплавы травят в 4-5-процентном растворе азотной кислоты в этиловом спирте, при этом выявляются форма, размер и распределение фаз и структурных составляющих сплава (феррита, цементита, перлита).

Для микроскопического исследования структуры металлов используются металлографические микроскопы, которые рассматривают предметы в отраженном свете и могут использоваться для исследования строения непрозрачных предметов (металлов, пластмасс, металлокерамики и т. д.).

Металлографический  микроскоп состоит из оптической системы, осветительного устройства и механической системы.

В оптическую систему входят объектив, окуляр, иллюминатор, зеркало, призма и т. п.

Объектив представляет собой систему линз, размещенных в одной оправе и обращенных к рассматриваемому объекту. Он дает обратное увеличенное действительное изображение объекта.

Окуляр – это система линз, размещенных в одной оправе и обращенных к глазу наблюдателя. Окуляры исправляют оптические дефекты и дают мнимое увеличенное изображение, полученное объективом. Для фотографирования микроструктуры применяют фотоокуляры.

Полезное увеличение микроскопа М зависит от увеличения объектива, т. е. увеличения, при котором выявляются детали рассматриваемого предмета. Оно определяется по формуле

M = d1/d,

где d1 – расстояние, разрешаемое человеческим глазом, равное 0,20,3 мм;

     d – расстояние, разрешаемое оптической системой.

Естественно, чем меньше d, тем больше полезное увеличение микроскопа.

Величина, обратная минимальному расстоянию между двумя точками, при котором точки различаются раздельно, называется разрешающей способностью, т. е. чем меньше d, тем больше разрешающая способность оптической системы. Значение d определяется условиями дифракции света и выражается в условиях прямого освещения формулой

d = ,

где – длина волны света (для обычного белого света 6000 А);

                n – коэффициент преломления среды между объективом микроскопа и шлифом (например, для воздуха п = 1, для кедрового масла п = 1,51);

      – половина угла раскрытия, входящего в объектив пучка света

(max = 70°).

Величина nsin обозначается буквой А и называется числовой апертурой объектива. Она определяет разрешающую способность микроскопа.

Максимальное полезное увеличение оптических микроскопов, использующих лучи света с длиной волны примерно 60 мкм, будет при максимальном значении апертуры А, что соответствует минимальному значению d, т.е.

d =  =  = 0,4 мкм.

Тогда полезное увеличение микроскопа составит:

М = 0,3/0,0004 = 750 раз.

Общее увеличение, которое дают микроскопу совместно объектив и окуляр при визуальном наблюдении, равно

VM = VокVоб = (250/Fок)(L/Fоб),

где Fок, Fоб  фокусные расстояния объектива и окуляра;

         L длина (оптическая) тубуса;

         250 – нормальное расстояние для зрения, мм.

Увеличения окуляров и объективов указываются на их металлической оправе и в таблицах, приводимых в описаниях микроскопа. При проведении микроанализа на металлографическом микроскопе МИМ-7 (рисунок 4.2)

Рисунок 4.2 – Оптическая схема металлографического микроскопа МИМ-7

шлиф через объектив 7 освещается осветительным устройством, состоящим из источника света 1, коллектора 2, иллюминатора 4 и стеклянной пластинки 5.

В качестве источника света 1 в металлографических микроскопах для визуальных исследований применяются низковольтные электрические лампы накаливания, а при фотографировании лампы с напряжением 110-120 В. Иллюминатор предназначен для передачи интенсивного пучка параллельных световых лучей необходимой освещенности от источника света через объектив 7 на поверхность шлифа.

Для передачи созданного в объективе изображения микроструктуры в окуляр 8 (при визуальном исследовании) или в фотоокуляр 9 (при фотографировании) используется призма полного внутреннего отражения 6.

Получение четкого изображения микроструктуры обеспечивается механической системой микроскопа, которая состоит из предметного столика 8, корпуса 2, тубуса 5 (рисунок 4.3).

1 – основание; 2 – корпус; 3 – фотокамера; 4 микрометрический винт; 5 визуальный тубус с окуляром; 6 рукоятка иллюминатора; 7 иллюминатор; 8 –предметный столик; 9 – клеммы; 10 – винты перемещения столика; 11 макрометрический винт; 12 осветитель; 13 – рукоятка светофильтров; 14 – стопорное устройство осветителя; 15 рамка с матовым стеклом

Рисунок 4.3 – Общий вид микроскопа МИМ-7

Для микроанализа шлиф помещается   на предметный столик исследуемой поверхностью вниз. Столик может двигаться по взаимно-перпендикулярным    направлениям, позволяя рассмотреть структуру различных участков шлифа. Для грубой настройки на фокус используется макровинт 11. Вращая его, получают изображение структуры. Точная фокусировка производится микровинтом 4.

Микроанализ позволяет проводить не только качественное исследование структуры металла. Он используется и для количественной оценки структурных составляющих, например, для измерения величины зерна, глубины слоя и т. д. При определении конкретных размеров используются объект-микрометры и окуляр-микрометры.

Объект-микрометр – стеклянная или металлическая пластинка, на которую нанесена шкала длиной в 1 мм с ценой деления 10 мкм (0,01 мм).

Окуляр-микрометр отличается от окуляра лишь наличием стеклянной пластинки со шкалой, имеющей 100 делений.

Для определения цены деления окуляр-микрометра объект-микрометр устанавливается вместо шлифа на предметный столик и шкалы обоих микрометров совмещаются.

После совмещения некоторых участков шкал проводится вычисление цены деления окуляра по формуле

Цок = (ЦобТ)/А,

где Цоб – цена деления объект-микрометра, равная 0,01 мм;

                 Тчисло делений объект-микрометра, совпавших с числом делений окуляр-микрометра А.

Зная цену деления окуляр-микрометра, можно аналогичным образом измерить интересующий нас микрообъект, помещая его вместо объект-микрометра на предметный столик.

Например, средняя величина зерна dз исследуемого металла или сплава может быть вычислена следующим образом

dз = (ЦокN)/n,

где Цок – цена деления окуляр-микрометра, мм;

                 Nчисло делений окуляра, в границах которых подсчитывалось количество зерен;

                 nсреднее число зерен, уместившихся на отрезке длиной ЦокN при горизонтальном и вертикальном положениях шкалы окуляр-микрометра.

Считая приближенно средний линейный размер зерна равным среднему диаметру зерна, площадь зерна определяется по формуле

Sср = (dср2)/4

Стандартный номер зерна, изменяющийся от 1 до 14, определяется по таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Зависимость между номером зерна и его площадью

Номер зерна

Площадь зерна, мкм2

Количество зерен на 1 мм2

наименьшая

средняя

наибольшая

наименьшее

среднее

наибольшее

1

40 000

64 000

80 000

12

16

24

2

20 000

32 000

40 000

24

32

48

3

10 000

16 000

20 000

48

64

96

4

5 000

8 000

10 000

96

128

192

5

2 500

4 000

5 000

192

256

384

6

1 250

2 000

2 500

384

512

768

7

625

1 000

1 250

768

1 024

1 536

8

312

500

625

1 536

2 048

3 072

9

156

250

312

3 072

4 096

6 144

10

78

125

156

6 144

8 192

12 288

11

38

62

78

12 288

16 384

24 576

12

19

31

38

14 576

32 768

49 152

13

10

16

20

49 152

65 536

98 304

14

5

8

10

98 304

131 172

196 608

Примечание ─ Зерна № 1─4 считаются крупными, а свыше № 6 – мелкими

Задание по работе

1 Изучить процесс приготовления микрошлифов.

2 Изучить процесс травления микрошлифов.

3 Изучить устройство микроскопа и освоить приемы работы на нем. Зарисовать схему хода лучей в микроскопе.

4 Исследовать микрошлиф после травления и зарисовать структуру.

5 Определить цену деления окуляр-микрометра.

6 Определить величину зерна материала микрошлифа и установить его номер.

7 Составить письменный отчет о работе.


Лабораторная работа № 5. Построение диаграммы состояния методом термического анализа

Цель работы: изучение методики проведения термического анализа, приобретение практических навыков работы с оборудованием, построение диаграмм состояния.

Термический анализ является одним из методов определения температур фазовых превращений вещества, сопровождающихся тепловыми эффектами. Метод основан на построении кривых охлаждения (нагрева) в координатах «температура вещества – время охлаждения (нагрева)». Если при охлаждении (нагревании) в веществе не происходят фазовые превращения кривая охлаждения имеет вид плавной нисходящей линии. При фазовых превращениях на кривой появляются горизонтальные (изотермические) участки или изгибы, обусловленные выделением (поглощением) тепла, вызывающем изменение скорости охлаждения (нагрева).

Процесс кристаллизации металлических сплавов и некоторые закономерности в их строении описываются с помощью диаграмм состояния или диаграмм фазового равновесия. Эти диаграммы в графической форме показывают фазовый состав и структуру в зависимости от температуры и концентрации. Они построены для условий равновесия. Равновесное состояние соответствует минимуму свободной энергии и в связи с этим является стабильным. При данных температуре и давлении в условиях равновесия свободная энергия должна оставаться постоянной.

Прежде, чем перейти к рассмотрению диаграмм состояния, дадим точные определения основным понятиям, которыми нам придется оперировать.

Фаза – это однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав, структура и свойства вещества изменяются скачком. Однородная жидкость является однофазной системой, смесь жидкости и твердого вещества –  двухфазной,  твердый раствор  – однофазная система, механическая смесь двух твердых растворов – двухфазная система.

Компонентами называются вещества, образующие систему. Чистый металл – это однокомпонентная система, сплав двух металлов —  двухкомпонентная.

Под числом степеней свободы системы понимается число внешних и внутренних факторов, которое можно изменять без изменения числа фаз в системе. К внешним факторам, влияющим на состояние сплава, относятся температура и давление, к внутренним –  концентрация.

Общие закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условиям равновесия,  могут быть выражены в математической форме, именуемой правилом фаз или законом Гиббса.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением

С = К + 2 - Ф,

где С – число степеней свободы (или вариантность);

           К – число компонентов, образующих систему;

           Ф – число фаз, находящихся в равновесии;

           2 – число внешних факторов.

Если число степеней равно нулю (нонвариантная система), то изменение факторов (температуры, давления, концентрации) будет приводить к изменению числа фаз.

При применении правила фаз к металлам можно считать изменяющимся только один внешний фактор – температуру, так как давление, за исключением очень высокого, мало влияет на число фаз металлических сплавов в твердом и жидком состоянии. Тогда уравнение примет следующий вид:

С = К + 1 - Ф.

Число степеней свободы системы не может быть меньше нуля и не может быть дробным числом.

К - Ф +1 0,

тогда Ф К + 1, т. е. число фаз в сплаве, находящемся в равновесии, не может быть больше, чем число компонентов плюс единица.

Следовательно, в двухкомпонентной системе в равновесии может находиться не более 3-х фаз, в трехкомпонентной – 4-х. Если в равновесии находится  максимальное  число фаз, то число степеней свободы системы равно нулю (С = 0). Такое равновесие называется нонвариантным (безвариантным).

При нонвариантном равновесии сплав может существовать только в совершенно определенных условиях: при t = const и определенном составе всех фаз, находящихся в равновесии. Это означает, что превращение начинается и заканчивается при определенной температуре.  Например, чистый металл при затвердевании состоит из двух фаз – твердой и жидкой одинакового  состава. В  этом  случае  система   нонвариантна,  так  как С = 1 + 1 – 2 = 0,   т. е.   процесс  кристаллизации  будет   протекать   при t = const.

Сплав из двух компонентов при затвердевании, допустим, состоит из двух фаз. В этом случае С = 2 + 1 – 2 = 1 (это значит, что процесс кристаллизации может протекать при переменной температуре) – следовательно температуру в данном случае можно изменять без изменения числа фаз.

Диаграмма состояния строится в координатных осях, по которым откладывают температуру (в градусах Цельсия) и массовую долю компонентов (от 100 % одного до 100 % другого). Линии на диаграмме являются геометрическим местом критических температур, под которыми понимаются температуры фазовых превращений. Для их определения строят кривые охлаждения  для сплавов различного состава и по остановкам и перегибам на этих кривых определяют температуры превращений – критические точки.

Схема установки для термического анализа приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 – Схема установки для исследования процесса кристаллизации сплавов методом термического анализа

В печь 1 помещают тигель 2 с исследуемым сплавом. Сплав расплавляют и опускают в него горячий спай термопары 3, защищенной фарфоровым или кварцевым чехлом 4. Печь выключают, и начинается охлаждение сплава. К холодным концам 5 термопары протекает электрический ток, возникающий из-за разности потенциалов в горячем спае. Ток по компенсационным проводам 6 идет к гальванометру 7, шкала которого проградуирована в градусах Цельсия. Сила тока в термопаре пропорциональна температуре сплава. Через определенные короткие равные отрезки времени фиксируют температуру и записывают в таблицу. После полного охлаждения сплава строят график «температура – время» (кривая охлаждения).

Рассмотрим конкретный пример построения диаграммы состояния системы «олово – цинк» (рисунок 5.2). Термическому анализу подвергают ряд сплавов системы, включая и чистые компоненты. При охлаждении расплавленного олова (рисунок 5.2, а) первоначально наблюдается монотонное понижение температуры во времени (участок 0-1 на кривой охлаждения а). Расчет правила фаз  (С = К –  Ф + 1 = 1 – 1 + 1 = 1)  подтверждает моновариантность системы (можно менять температуру, не нарушая фазового равновесия). При 232 °С понижение температуры прекращается. Горизонтальная площадка на кривой охлаждения свидетельствует о переходе олова из жидкого состояния в твердое (кристаллизация). В процессе кристаллизации, протекающей в течение периода времени 1-1′, потери теплоты в окружающую среду при охлаждении сплава компенсируются выделяющейся теплотой кристаллизации, поэтому температура на отрезке 1-1′ остается постоянной. Правомерность наличия горизонтальной площадки на кривой охлаждения подтверждается правилом фаз (С = К – Ф + 1 = 1 – 2 + 1 = 0). Система безвариантна (нонвариантна) и до тех пор, пока

a – 100 % Sn,; б – 4% Zn + 96% Sn; в – 9% Zn + 91% Sn; д – 60% Zn + 40% Sn; е – 100% Zn

Рисунок 5.2 – Диаграмма состояния сплавов системы Sn-Zn (г) и кривые охлаждения

идет кристаллизация, не имеет ни одной степени свободы (температуру нельзя менять, иначе нарушится фазовое равновесие и изменится число фаз). В точке 1′ кристаллизация заканчивается, и при дальнейшем понижении температуры происходит охлаждение уже закристаллизовавшегося олова (С = 1). Микроанализ выявляет однородную равновесную поликристаллическую структуру металла. Кривая охлаждения цинка (см. рисунок 5.2, е) имеет аналогичный характер и отличается лишь температурным уровнем площадки (418 °С).

Полученные критические точки кристаллизации олова и цинка переносят с кривых охлаждения на график (см. рисунок 5.2, г) «температура - содержание компонентов» (точка, соответствующая периоду 1-1′ для 100 % Sn с кривой охлаждения а, и точка 1, 1′ для 100 % Zn с кривой охлаждения е).

Кристаллизация сплава, содержащего 4 % Zn и 96 % Sn, начинается при более низкой температуре (см. рисунок 5.2, б), чем кристаллизация чистого олова, и первоначально (от точки 1 до точки 2) характеризуется лишь изменением скорости охлаждения  (перегиб   кривой),    что      подтверждается  правилом фаз (С = К - Ф + 1 = 2 – 2 + 1 = 1). Как показывают микроанализ и химический анализ, кристаллы, выпадающие из жидкости в интервале температур

12, представляют собой чистое олово. Выделение олова и рост его кристаллов при охлаждении от точки 1 до точки 2 вызывает обеднение жидкой части сплава оловом и соответственно обогащение цинком. Как только достигается соотношение 9 % Zn и 91 % Sn, выделение и рост кристаллов олова прекращаются, а жидкая часть сплава кристаллизуется в виде смеси мелких кристаллов Sn и Zn (эвтектики). Такая одновременная кристаллизация двух фаз называется эвтектической и обычно изображается следующим образом:

ЖС  Э (Sn + Zn).

Эта реакция читается так: жидкость состава точки С при t =200 °С кристаллизуется в виде эвтектики (олово плюс цинк).

В  период  эвтектического  превращения   в   равновесии   одновременно находятся    три  фазы:  жидкая и  эвтектические  кристаллы  Sn и  Zn,  поэтому С = 2 – 3 + 1= 0. Система нонвариантна. Ниже точки 2' никаких фазовых превращений не происходит, и сплав состоит из кристаллов Sn и эвтектики (С = 1). Система моновариантна, что свидетельствует о возможности изменения либо температуры, либо содержания компонентов (температура является зависимой переменной) без нарушения фазового равновесия.

Сплав, содержащий 9 % Zn и 91 % Sn (см. рисунок 5.2, в), имеет строго эвтектический состав, предельно насыщен обоими компонентами, поэтому кристаллизация его происходит при постоянной температуре (t = 200 °С). Этот сплав называют эвтектическим.

У сплава, содержащего 60 % Zn и 40 % Sn (см. рисунок 5.2, д), кривая охлаждения подобна кривой, приведенной на рисунке 5.2, б. Принципиальное отличие первой заключается в том, что в данном случае эвтектическому превращению предшествует выделение кристаллов избыточного цинка.

Соединив на графике «температура – концентрация» критические точки начала кристаллизации сплавов, получим линию ликвидус АСВ, а точки конца кристаллизации образуют линию солидус DCF (см. рисунок 5.2, г). В целом это и есть диаграмма состояния системы «олово – цинк». Линия ликвидус показывает температуру начала кристаллизации при охлаждении или окончания плавления при нагреве сплавов; линия солидус – температуру окончания кристаллизации сплавов. Ниже линии солидус сплавы находятся в твердом состоянии. Она показывает окончание их кристаллизации и начало плавления (соответственно). Все сплавы системы Sn-Zn делятся эвтектическим сплавом на доэвтектические и заэвтектические. Доэвтектические сплавы состоят из кристаллов олова и эвтектики, эвтектические – из эвтектики, заэвтектические  – из кристаллов цинка и эвтектики.

Задание по работе

1 Изучить установку для исследования процесса кристаллизации сплава термическим методом и зарисовать ее схему.

2 Исследовать процесс кристаллизации заданного преподавателем сплава, внести данные по изменению температуры во времени в таблицу, построить кривую охлаждения (с применением правила Гиббса и пояснением фазовых превращений).

3 После сведения результатов в таблицу  по каждому исследованному сплаву построить диаграмму состояния изучаемой системы.

4 Определить с помощью правила отрезков фазы и их содержание для заданной преподавателем температуры сплава.


Лабораторная работа № 6. Анализ диаграмм состояния двойных сплавов

Цель работы: изучить основные типы диаграмм состояния двойных систем; приобрести практические навыки изучения превращений, протекающих при кристаллизации сплавов; проанализировать полученные данные и определить возможность их использования на практике.

Учение о равновесных диаграммах металлических систем, характеризующих различные состояния сплавов в зависимости от температуры и состава, имеет большое значение.

Умея читать диаграмму состояния, можно представить полную картину образования сплава, его переход из жидкого состояния в твердое, процессы перекристаллизации в твердом состоянии; можно определить оптимальную температуру заливки сплава, оценить его жидкотекучесть, определить склонность к ликвации.

Еще большее значение диаграммы состояния имеют для термической обработки сплавов. В этом случае по ним можно определить какую тепловую обработку может воспринимать данный сплав и какие температурные режимы будут для него наиболее рациональными.

Таким образом, диаграммы состояния двойных и более сложных систем показывают графически, как с изменением химического состава и температуры изменяются структура, количество и состав фаз, находящихся в равновесии.

а – фазовый анализ: б – структурный анализ

Рисунок 6.1 – Диаграмма состояния для металлов А и В

 

Любая точка диаграммы состояния сплавов показывает:

─ химический состав сплава;

─ температуру сплава;

─ фазовый состав сплава;

─ структуру сплава.

В качестве примера на рисунке 6.1 приведена диаграмма состояния для металлов А и В.

Из диаграммы видно, что выше заштрихованных областей (выше линии ликвидуса) сплавы находятся в жидком состоянии; ниже заштрихованных областей (ниже линии солидуса) сплавы находятся в твердом состоянии.

В заштрихованных областях присутствуют две фазы (жидкая и кристаллы твердой фазы).

Два металла А и В (компоненты) могут образовывать в рассматриваемой системе фазы, указанные по областям на рисунке 6.1, а:

- химическое соединение определенного состава, которое может быть выражено формулой АтВп, где m и n простые целые числа;

- твердые растворы и , где – твердый раствор на основе компонента А – область 1 и – твердый раствор на основе компонента В – область 6.

Перечисленные фазы могут находиться как в структурно-свободном состоянии, так и в различном сочетании друг с другом, образуя механические смеси.

Одинаковый фазовый состав имеют области 2, 3 и 4: -твердый раствор и АтВп; но структурно они сочетаются различно в зависимости от химического сплава, как это показано на рисунке 6.1, б.

Предельная растворимость компонентов В и А определяется линией СН.

Из диаграммы видно, что с понижением температуры растворимость металлов В и А уменьшается.

На линии CED происходит эвтектическое превращение: жидкий сплав (состава точки Е) превращается в механическую смесь – эвтектику (кристаллы -твердого раствора точки С + кристаллы АтВп точки D):

LЕ  [C + АmВn ].

Эвтектические сплавы являются более легкоплавкими, чем все остальные сплавы данной системы.

На горизонтальной линии KFP происходит перитектическое превращение. Оно заключается в том, что здесь кристаллы АтВп путем взаимодействия с окружающей их жидкостью образуют кристаллы твердого раствора.

Это превращение можно выразить так:

АmВn + LP  F.

В некоторых областях диаграммы структурный состав будет отличаться от фазового состава.

В области 2 сплавы состоят из кристаллов -твердого раствора и некоторого количества вторичных кристаллов АтВп, выделившихся из -твердого раствора.

Доэвтектические сплавы – область 3 – по структуре состоят из кристаллов -твердого раствора + эвтектика + АтВп (вторичные кристаллы).

Заэвтектические сплавы – область 4 – по структуре состоят из кристаллов АтВп (первичные) + эвтектика.

Вследствие перитектического превращения сплавы в зависимости от их состава могут приобретать различную структуру. Если сплавы по составу находятся   между   точками  К и F (область 5), структура состоит из кристаллов АтВп + -твердый раствор (механическая смесь). Если сплавы лежат между точками F и Р (область 6), будет образовываться одна фаза – - твердый раствор.

Таким образом, структурный анализ этих областей не будет отличаться от фазового состава.

Применяя правило отрезков, можно количественно определить сколько имеется процентов той или другой фазы по отношению к общему весу сплава.

Для определения состава и количества фаз в заданном сплаве Х (см. рисунок 6.1, б) при заданной температуре (точка n) нужно провести горизонталь через точку n до пересечения с ближайшими линиями диаграммы; точки пересечения т и l будут определять составы фаз, а длины отрезков на проведенной горизонтали дадут соотношения, пропорциональные количеству (весу) фаз.

Для сплава Х при заданной температуре – по линии mnl

количество жидкой фазы/ количество всего сплава =  mn/ml.

Можно сказать, что отношение длины малого отрезка тп к большому ml таков же, как отношение веса жидкой фазы сплава к весу всего сплава.

Можно определить и количество выделившейся твердой фазы АтВп. Оно составит такую часть всего сплава, какую часть большего отрезка ml составляет малый отрезок п1:

количество АтВп / количество всего сплава = nl/ml

Таким образом, если в сплаве одновременно присутствуют две фазы, то с помощью правила отрезков можно определить процентное количество как одной, так и другой фазы.

Количественное отношение между весом твердой фазы АтВп и весом жидкой фазы для сплава Х  будет следующее:

вес жидкой фазы/ вес твердой фазы = mn/п1

Задание по работе

1 Начертить заданную диаграмму состояния (рисунок 6.2, а-ц).

2 Дать буквенные обозначения всем линиям диаграммы.

3 Сделать фазовый анализ всех областей и определить количественное соотношение фаз при заданной температуре (температура задается преподавателем).

4 Описать все изотермические превращения в данной диаграмме.

5 Во всех областях диаграммы указать структуры, образующиеся в сплавах данной системы в состоянии равновесия.

6 Построить кривую охлаждения в координатах «температура – время» с применением правила фаз и для заданной концентрации Х объяснить превращения, происходящие в процессе охлаждения.

7 Определить количественное соотношение структурных составляющих сплава при комнатной температуре (согласно правилу отрезков) и зарисовать структуру.

         

                                                                       

              

Рисунок 6.2 ─ Диаграммы состояния сплавов.                                                               

           

                                                            

         

                                                            

        

                                                            

Продолжение рисунка 6.2

          

                                                            

            

                                                            

         

Продолжение рисунка 6.2

       

                                                            

              

                                                                

ц)

  

      

Окончание рисунка 6.2


Лабораторная работа № 7. Определение критических точек стали методом пробных закалок

Цель работы: изучение методики определения критических точек в сплавах (на примере углеродистой стали) методом пробных закалок.

Критическими точками называют температуры фазовых превращений. Так как фазовые превращения сопровождаются тепловым эффектом (выделением или поглощением тепла), скорость охлаждения (нагрева) сплава при их протекании изменяется и на кривых охлаждения (нагрева) появляются горизонтальные участки или изгибы. Критические точки обозначают буквой «A» (франц. – аrret – остановка) с соответствующими индексами (А1, А2, А3). Для фазовых превращений характерен температурный гистерезис, т. е. относительно равновесной температуры при нагреве они протекают с перенагревом, а при охлаждении – с переохлаждением. Если превращения происходят при нагреве в обозначении критической точки добавляется индекс «c», а при охлаждении – индекс «r» (например, Ас1, Аr1).

Для сталей характерны следующие критические точки.

Ао – точка Кюри для цементита (217 oС).

А1 – температура превращения ПА (727 oС). Геометрическое место точек А1 образует на диаграмме Fe-Fe3C (рисунок 7.1) линию РSК.

А2  – точка Кюри для феррита (768 оС).

Рисунок 7.1 –  «Стальной» участок диаграммы  состояния Fe – Fe3C

Геометрическим  местом точек А3 для сталей является линия GSE диаграммы Fe-Fe3C (см. рисунок 7.1). При этом точка Ar3 соответствует началу выделения из аустенита феррита (в доэвтектоидной стали) или цементита (в заэвтектоидной стали), точка Ас3 – окончанию растворения феррита (доэвтектоидная сталь) или цементита (заэвтектоидная сталь) в аустените. Для заэвтектоидных сталей точка Ас3 часто обозначается как Асm.

Геометрическое место точек А4  образует на диаграмме Fe-Fe3C линию NJ, которая показывает при нагреве начало выделения из аустенита феррита, а при охлаждении – окончание растворения феррита в аустените.

Так как критические точки определяют температуру нагрева для различных видов термической обработки, знание их величины имеет большое практическое значение.

Существует несколько методов определения критических точек. Наиболее известными из них являются:

дилатометрический,  основанный на том, что при изменении фазового состава материала, имеющего место при критических температурах, изменяется его объем;

термический, основанный на построении кривых охлаждения (нагревания);

структурный, заключающийся в непосредственном изучении происходящих в структуре изменений;

пробных закалок.

Для определения критических точек А1 и А3 в доэвтектоидной стали наиболее простым и доступным является метод пробных закалок.

В данной работе остановимся на методе определения критических точек путем пробных закалок.

Закалка заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре с последующим быстрым охлаждением, в процессе которого происходит превращение аустенита в мартенсит. Так как из твердых растворов, которыми являются феррит, аустенит и мартенсит, последний имеет наибольшую твердость, превращение аустенита в мартенсит вызывает резкое повышение этого параметра. Для определения критических точек А1 и А3 методом пробных закалок образцы доэвтектоидной стали нагревают до различных температур с интервалом 20 ─ 50 оС и закаливают в воде. Минимальная температура закалки назначается заведомо ниже предполагаемой критической точки А1. Если температура нагрева ниже точки А1, термическая обработка не приводит к фазовым превращениям, и твердость после нее не изменяется. При нагреве несколько выше точки А1 имеет место превращение перлита в аустенит, который при последующем охлаждении превращается в мартенсит, что приводит к резкому увеличению твердости. Однако в связи с наличием в структуре наряду с мартенситом феррита она максимального значения не достигает. Повышение температуры нагрева в области, ограниченной точками А13, приводит к уменьшению в структуре количества феррита и увеличению мартенсита. Твердость при этом непрерывно повышается. После закалки с температуры точки А3 сталь имеет мартенситную структуру, и твердость достигает максимального значения. Дальнейшее увеличение температуры закалки не приводит к ее существенному изменению.

Задание по работе

1 Замерить твердость образцов заданной марки стали.

2 Произвести нагрев до температур, приведенных в таблице 7.1 и дать выдержку, продолжительность которой определяется из расчета 1–2 мин на

1 мм диаметра образца.

3 После выдержки в печи охладить (закалить) образцы в воде.

4 Замерить твердость образцов после закалки.

5 Результаты эксперимента занести в таблицу 7.1 и построить кривую изменения твердости в зависимости от температуры закалки (рисунок 7.2).

6 По полученным данным определить критические точки А1 и А3.

Таблица 7.1 –  Результаты измерения твердости

Номер образца

Температура нагрева под закалку, оС

Твердость НRC

Микроструктура

1

2

3

4

5

650

700

750

800

850

Рисунок 7.2 – Изменение твердости образца в зависимости от температуры закалки.


Лабораторная работа № 8.
Cтруктура и свойства углеродистой стали в равновесном состоянии

Цель работы: изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов; анализ превращений, происходящих в сплавах при охлаждениях и нагревах; определение фазового и структурного состояния сплавов в зависимости от их состава и температуры; изучение структуры углеродистых сталей в равновесном состоянии; установление зависимости между структурой и свойствами стали.

Под равновесным понимается такое состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаграммой состояния. Это имеет место только при очень малых скоростях охлаждения (нагрева). Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии и не подвергается самопроизвольному изменению во времени. Поэтому оно называется стабильным.

Превращения, протекающие в сталях в равновесном состоянии, описываются диаграммой «железо-цементит», представленной на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1 –  Диаграмма «железо-цементит»

В железоуглеродистых сплавах могут присутствовать следующие твердые фазы: феррит, аустенит, цементит.

Ферриттвердый раствор внедрения углерода в -железе, имеющем объемноцентрированную кубическую решетку. На диаграмме «железо-цементит» существуют две области феррита - высокотемпературная область АNН и низкотемпературная область GPQ.  Растворимость углерода в  феррите мала. Максимальная  растворимость  в  высокотемпературной  области составляет 0,10 %  – точка Н, в низкотемпературной области 0,02 %  – точка Р. Феррит мягок и пластичен (В = 200-300 МПа, = 20-50 %, = 60-85 %, 80-100 НВ)

Аустениттвердый раствор внедрения углерода в -железе, имеющем гранецентрированную кубическую решетку. На диаграмме «железо-цементит» аустенит занимает область NJESG. Максимальная растворимость углерода в аустените 2,14 %  – точка Е. По механическим свойствам аустенит близок к ферриту. Аустенит пластичен, но более тверд, чем феррит (160– 200 НВ).

Цементитхимическое соединение железа с углеродом – карбид железа, химическая формула которого Fe3С. Содержание углерода в цементите равна 6,67 %. Цементит имеет высокую твердость ( 800 HV) и хрупкость. Он имеет сложную ромбическую решетку. Она состоит из ряда октаэдров, оси которых расположены под некоторыми углами друг к другу.

Кристаллизация сплавов, содержание углерода в которых меньше 0,5 % (точка В), начинается с выделения из жидкого углерода кристаллов феррита. При содержании углерода больше 0,5 % стали кристаллизуются с выделением аустенита.

В сплавах, содержащих углерод не более 0,1% (точка Н), весь жидкий раствор переходит в кристаллы феррита, который при дальнейшем охлаждении в интервале температур, ограниченном линиями и NJ, перекристаллизовывается в аустенит.

Сплавы, содержащие углерод от 0,1 % (точка Н) до 0,5 % (точка В), претерпевают при температуре 1499 oC (линия НJB) перитектическое превращение, заключающееся в том, что жидкий раствор, имеющий при этой температуре концентрацию, соответствующую точке В (0,5 % С), взаимодействуя с выделившимися из него кристаллами феррита концентрации точки Н (0,1 % С), образует новую фазу – кристаллы аустенита концентрации точки J (0,16 % С).

ФН + ЖВ  АJ.

При дальнейшем снижении температуры в сплавах с содержанием углерода от 0,1 до 0,16 % феррит, оставшийся после практического превращения, перекристаллизовывается в аустенит. В сталях с содержанием углерода больше 0,16 % оставшаяся жидкость затвердевает с образованием аустенита.

Ниже линий NJ и JE сплавы имеют однородную аустенитную структуру.

Все сплавы с содержанием углерода более 0,02 % (точка Р) при температуре 727 oС (линия PSK) претерпевают эвтектоидное превращение. При эвтектоидном превращении аустенит, имеющий при этой температуре концентрацию углерода, соответствующую точке S (0,8 % С), распадается с образованием эвтектоидной смеси – феррита состава точки Р (0,02 % С) и цементита:

AS  ФР + Ц.

Эвтектоидная смесь феррита и цементита, образующаяся в результате эвтектоидного распада аустенита называется перлитом.

В сплавах с содержанием углерода менее 0,8 % (точка S) эвтектоидному превращению предшествует выделение из аустенита феррита, которое протекает в интервале температур, ограниченных линиями GS и РS. При этом в оставшемся аустените концентрация углерода изменяется по линии GS. В сплавах с содержанием углерода более 0,8 % (точка S) эвтектоидному превращению предшествует выделение из аустенита цементита. Выделение цементита протекает в интервале температур, ограниченных линиями ES и SK. В этом случае концентрация углерода в оставшемся аустените изменяется по линии ES. Железоуглеродистые сплавы  в зависимости от содержания углерода делятся на три группы: техническое железо, стали, чугуны.

Техническое железоэто сплавы с содержанием углерода менее

0,02 % (точка Р). Как следует из диаграммы «железо-цементит», техническое железо имеет структуру феррита или феррита и цементита третичного, который в виде отдельных мелких включений располагается по границам зерен феррита (рисунок 8.2, а). Третичный цементит выделяется из феррита в результате снижения растворимости углерода при уменьшении температуры от эвтектоидной (727 оС) до комнатной. Предельная растворимость углерода в феррите ограничивается линией GPQ. По свойствам техническое железо подобно ферриту.

Сталиэто сплавы с содержанием углерода от 0,02 % (точка Р) до 2,14 % (точка Е). В структуре стали по мере увеличения содержания углерода возрастает доля цементита и соответственно уменьшается доля феррита. Это приводит к повышению твердости и прочности стали и снижению ее пластичности (рисунок 8.3), изменению физических и технологических свойств. К последним относятся свариваемость, обрабатываемость, стойкость к изнашиванию, восприимчивость к закалке и др.

В зависимости от содержания углерода стали по своей структуре делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 % углерода (точка Р) до

0,8 % углерода (точка S). Она имеет структуру феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна) (рисунок 8.2, б, в). Количественное соотношение между перлитом и ферритом зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода прямо пропорционально увеличивается содержание перлита. При концентрации углерода в стали 0,8 % количество перлита равно 100 %. Зная площадь, занимаемую перлитом, с достаточной для практики точностью можно определить содержание углерода в углеродистой стали.

             

              

Рисунок 8.2 – Микроструктура технического железа (а), доэвтектоидных сталей (б, в) с содержанием углерода 0,20 % (б) и 0,45 % (в), эвтектоидной (г) и заэвтектоидной (д) сталей

С = ,

где А - площадь, занимаемая перлитом.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода (точка S) и состоит из перлита (см. рисунок 8.2, г).

Заэвтектоидная сталь содержит от 0,8 % углерода (точка S) до 2,14 % углерода (точка Е). Заэвтектоидная сталь состоит из перлита и цементита (см. рисунок 8.2, д).

Таким образом, структура, а, следовательно, и свойства стали определяются количеством углерода в ней. Доэвтектоидные стали, содержащие до 0,7 %

Рисунок 8.3 – Зависимость механических свойств стали от содержания в ней углерода

углерода, являются конструкционными, т. е. применяются для изготовления различных деталей машиностроения. В значительной мере свойства углеродистых сталей, а, следовательно, и область их применения зависят от содержания в них вредных примесей серы и фосфора. Чем меньше их в стали, тем выше ее качество.

Конструкционные углеродистые стали делятся на два класса – сталь углеродистая общего назначения (обыкновенного качества) (ГОСТ 380-71), сталь углеродистая качественная конструкционная (ГОСТ 1050-74). Стали обыкновенного качества содержат до 0,07 % фосфора, 0,06 % серы, 0,06-0,49 % углерода. Они  подразделяются на три группы – А, Б, В. В сталях группы А – гарантируются механические свойства, группы Б – химический состав; в сталях группы В гарантируются механические свойства и химический состав.

Сталь группы А маркируется буквами Ст и номером 0, 1, 2,...6, например, Ст0, Ст1. В сталях группы Б перед буквами Ст ставится буква Б, например, БСт1, БСт2. В сталях группы В перед буквами Ст ставится буква В, например, ВСт2, ВСт3. В конце марки стали общего назначения ставятся буквы «кп», «пс», «сп». Буквы «кп» показывают, что сталь кипящая, «пс» – полуспокойная, «сп» – спокойная.

Стали обыкновенного качества являются сталями общего назначения и используются для изготовления проката различного профиля и листовой стали.

Качественная конструкционная сталь по сравнению со сталью общего назначения содержит меньше серы (не более 0,04 %) и фосфора (0,035 %) и отличается более высокими механическими свойствами. Она маркируется цифрами, например, 08, 10, 15, 20, 25, … 85, показывающими содержание углерода в сотых долях процента.

Стали, содержащие 0,7 % углерода и более, используются в качестве инструментальных. Причем высокоуглеродистые стали с содержанием углерода более 1,0 %, характеризующиеся повышенной твердостью и износостойкостью, применяются для изготовления режущего инструмента. Стали с содержанием углерода от 0,7 до 1,0 % наряду с высокой твердостью и износостойкостью, применяются для изготовления инструмента, подвергающегося ударам.

Сталь нелегированная инструментальная (ГОСТ 1435-74) делится на качественную (содержание серы <0,03 %, фосфора <0,035 %) и высококачественную (содержание серы <0,02 %, а фосфора <0,03 %). Качественная сталь маркируется следующим образом У7,  У8,  У9,  ...,  У13. Наличие буквы А в конце марки указывает на то, что сталь является высококачественной, например, У7А, У8А. В марке буква «У» указывает на то, что сталь является инструментальной; цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента.

Задание по работе

1 Зарисовать диаграмму «железо-цементит»

.

2 Вычертить кривую охлаждения сплава, проверяя ее построение с помощью правила фаз. Описать превращения, протекающие в стали при охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры.

3 Дать определение фазам и структурным составляющим в стали.

4 Дать определение техническому железу, стали – доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной.

5 Определить примерное содержание углерода в одном из образцов доэвтектоидной стали.

6 Изучить влияние содержания углерода на свойства стали.

7 Изучить и зарисовать микроструктуру предложенных шлифов; указать вид материала и расставить структурные составляющие фазы.

8 Дать маркировку конструкционной и инструментальной стали.


Список литературы

1 Лахтин, Ю. М. Материаловедение: учебник / Ю. М. Лахтин, В.П. Леонтьева. - М.: Машиностроение, 1990.- 527 с.

2 Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка: учебник / Ю. М. Лахтин.- М.: Металлургия, 1983. -359 с.

3 Гуляев, А.П. Металловедение: учебник / А.П. Гуляев.- М.: Металлургиздат, 1986. -648 с.

4 Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учебник / Б.Н. Арзамасов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1986. –383 с.

5 Гольштейн, М.И. Специальные стали: справочник /  М.И. Гольштейн, С.В.Грачев, Ю.Г. Верслер.- М.: Металлургия, 1986. – 408 с.

6 Термическая обработка в машиностроении:  справочник / Под ред. Ю.М. Лахтина.- М.: Машиностроение, 1980.-783 с.

7 Журавлев, В.Н. Машиностроительные стали: справочник / В.Н. Журавлев, О.Н. Николаева. - М.: Машиностроение, 1981. - 392 с.

8 Худокормова, Р.Н. Материаловедение: лабораторный практикум: учеб. пособие для вузов / Р.Н. Худокормова, Ф.И. Пантелеенко; под ред. Л.С. Ляховича. - Мн.: Выш. шк., 1988.- 224 с.

9 Конструкционные материалы: справочник/ Под ред. Б.Н.Арзамасова - М.: Машиностроение, 1990. -688с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10044. Линейная двоичная рекуррентная последовательность 39 KB
  Линейная двоичная рекуррентная последовательность. В криптосхемах потоковых шифров широко применяются криптоузлы основанные на т.н. регистрах сдвига с обратной связью. Наиболее простым узлом является т.н. двоичный регистр сдвига с линейными обратными связями РСЛОС...
10045. Тестирование чисел на простоту, случайные и детерминированные тесты. Тест малой теоремы Ферма 46 KB
  Тестирование чисел на простоту случайные и детерминированные тесты. Тест малой теоремы Ферма При использовании асимметричных криптосистем возникает необходимость построения сверхбольших псевдослучайных простых чисел. Соответствующие вычислительные процедуры
10046. Тест Соловея-Штрассена проверки чисел на простоту 38.5 KB
  Тест Соловея-Штрассена проверки чисел на простоту. При тестировании чисел на простоту с помощью вероятностного теста основанного на малой теореме Ферма может возникнуть ситуация когда вероятность ошибки не снижается с количеством повторений теста. В этом случае ...
10047. Тест Рабина-Миллера проверки чисел на простоту 57 KB
  Тест Рабина-Миллера проверки чисел на простоту. При тестировании чисел на простоту с помощью вероятностного теста основанного на малой теореме Ферма может возникнуть ситуация когда вероятность ошибки не снижается с количеством повторений теста. В этом случае она...
10048. Общие сведения об иностранных криптосредствах 30.5 KB
  Общие сведения об иностранных криптосредствах Рынок иностранных криптосредств очень широк: от криптосистем индивидуального использования до криптосредств военного предназначения. Порядок приобретения и использования криптосредств регулируется национальным зако...
10049. Определение хэш-функции 46.5 KB
  Определение хэш-функции. Хэш-функция преобразование битовой строки произвольной длины в битовую строку блок фиксированной длины обычно 160512 битов обладающее следующими свойствами. Восстановление m по исходя из соотношения вычислительно нереализуем...
10050. Ключевые системы потоковых шифров. Жизненный цикл ключей 29.5 KB
  Ключевые системы потоковых шифров. Жизненный цикл ключем Совокупность всех действующих в системе ключей называется ключевой информацией. Ключевые системы потоковых шифров. Множество ключевых элементов порядок их использования и закон формирования ключей из клю...
10051. Невырожденная эллиптическая кривая. Аналог протокола Диффи-Хэллмана согласования ключей 69.5 KB
  Невырожденная эллиптическая кривая над полем вычетов по модулю связана с решениями сравнения. Каждое решение сравнения называется точкой. Множество решений сравнения можно расширить таким образом что расширенное множество станет коммутатив...
10052. Редактирование фрагментов текста в MS Word 61.5 KB
  Редактирование фрагментов текста в MS Word Цель: освоить понятия гарнитура размер начертание шрифта научиться форматировать текст используя панель инструментов Форматирование и команды меню: Формат/Шрифт. Рекомендации к выполнению При создании и обработке печатн...