87879

Изучение микроструктуры сталей методом металлографического анализа

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

Перед началом работы студенты должны ознакомиться с правилами по технике безопасности, условиями пользования приборами и оборудованием, а затем с помощью преподавателя и лаборанта выполнить лабораторную работу. Цель работы: изучить микроструктуру образцов стали. Провести исследование структуры сталей различного класса.

Русский

2015-04-24

360.5 KB

3 чел.

Лабораторная работа № 2

Изучение микроструктуры сталей методом металлографического анализа.

Введение

Лабораторная работа дает студентам возможность закрепить и углубить теоретические знания, полученные на лекциях, а также получить навыки для самостоятельного выполнения экспериментальных работ.

Знания студентов проверяются по контрольным вопросам, помещенным в конце лабораторной работы.

Перед началом работы студенты должны ознакомиться с правилами по технике безопасности, условиями пользования приборами и оборудованием, а затем с помощью преподавателя и лаборанта выполнить  лабораторную работу.

Цель работы: изучить микроструктуру образцов стали. Провести исследование структуры сталей различного класса.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Классификация углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируются по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре и назначению.

Микроструктура углеродистой стали

а - доэвтектоидная сталь (0,1%С); б - доэвтектоидная сталь (0,6%С); в - эвтектоидная сталь (0,8%С); г - заэвтектоидная сталь (1,2%С)

По химическому составу выделяют низкоуглеродистые (≤ 0,3%С), среднеуглеродистые (0,3-0,7%С) и высокоуглеродистые (> 0,7%С) стали.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества и качественные. Под качеством стали имеют ввиду совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Стали обыкновенного качества содержат вредных примесей до 0,055%S и 0,045 %Р, качественные - не более 0,04%S и 0,035 %Р.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие (соответственно в конце марки стали ставится индекс сп, пс и кп). Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации. Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода, затвердевают спокойно, без газовыделения и образуют сосредоточенную

усадочную раковину. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой они содержат повышенное количество кислорода, который при затвердевании жидкого металла частично взаимодействует с углеродом с образованием угарного газа СО. Выделение СО создает впечатление кипения стали. Кипящие стали более дешевые, низкоуглеродистые, практически без кремния, но с повышенным количеством газообразных примесей. Полуспокойные стали по степени раскисленности занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

При классификация по структуре учитывают структуру в отожженном (равновесном) состоянии. Углеродистые стали разделяют на три класса - доэвтектоидные (имеющие перлито-ферритную структуру), эвтектоидные (структура - перлит), заэвтектоидные (имеющие перлито-цементитную структуру).

По назначению углеродистые стали делятся на конструкционные, используемые для изготовления деталей машин, и инструментальные.

3.5. Углеродистые конструкционные стали

Широкое применение углеродистых сталей объясняется их относительной дешевизной и удовлетворительными механическими свойствами. Эти стали выпускают обыкновенного качества и качественные.

3.5.1. Углеродистые стали обыкновенного качества

Это наиболее дешевые стали, изготавливаемые в виде проката (прутки, листы, швеллеры, трубы и др.) и поковок. Углеродистые стали обыкновенного качества предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Состав и свойства сталей определяются ГОСТ 380-71. В зависимости от гарантируемых свойств их поставляют трех групп - А, Б и В.

Стали маркируются сочетанием букв Ст, цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, и индексами, указывающими степень раскисленности стали (сп, пс, кп).

Стали группы «А» поставляются с гарантированными механическими свойствами. С увеличением номера марки повышается прочность и снижается пластичность стали. Стали этой группы используют для изделий, производство которых не сопровождается горячей обработкой, а, следовательно, в них сохраняется исходная прочность. Группа «А» в обозначении стали не указывается. Пример обозначения: Ст5 сп.

Сталь группы «Б» поставляется с гарантированным  химическим составом и предназначена для изделий, изготавливаемых с применением горячей деформации или термической обработки. Высокотемпературная обработка приводит к изменению первоначальных механических свойств, а для выбора режимов нагрева необходимо знание содержания углерода. Содержание углерода в стали повышается при увеличении номера стали. Первая буква  марки указывают способ получения стали (М – мартеновская, К – конверторная) и степень раскисленности. Пример обозначения:  МСт5 пс.

Стали группы «В» поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом для производства сварных конструкций. Механические свойства сталей этой группы соответствуют нормам для сталей группы «А», а химический состав - нормам для тех же марок стали группы «Б». Знание химического состава необходимо для подбора сварочных материалов и режимов сварки, а гарантированные механические свойства стали сохраняются на ненагреваемых участках.  Группу стали указывает буква В в начале марки стали. Пример обозначения - ВСт4 сп.

В соответствии с ГОСТ 380-94 стали углеродистые обыкновенного качества на группы не подразделяются и маркируются только в соответствии с содержанием углерода.

3.5.2. Углеродистые качественные стали

Эти стали характеризуются более низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Они поставляются в виде проката, поковок с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Стали маркируются словом «сталь» и двухзначными числами 05, 08, 10, 15, 20 ...85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-74). Спокойные углеродистые качественные стали маркируются без индекса, полуспокойные и кипящие с добавлением соответственно «пс» и «кп». Например, сталь 20кп.

Низкоуглеродистые стали типа 05, 08, 10 - малопрочные, высокопластичные, применяются для холодной штамповки различных изделий. Стали 10, 20, 25 - пластичны, хорошо штампуются и свариваются, применяются для изготовления крепежных деталей, втулок, осей, кулачков и др. Низкоуглеродистые стали могут насыщаться с поверхности углеродом (цементация).

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 45, 50 имеют повышенную прочность, но меньшую вязкость и пластичность. Применяют эти стали для изготовления небольших валов, шатунов, зубчатых колес и др. Изделия после механической обработки подвергают закалке и высокому отпуску (термическому улучшению).

Стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 применяют для изготовления рессорно-пружинных изделий.

3.6 Инструментальные углеродистые стали

Инструментальные углеродистые стали содержат более 0,7 %С и отличаются высокой твердостью и прочностью. Эти стали делятся на качественные и высококачественные. Марки качественной стали по ГОСТ 1437-74 следующие: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; высококачественной: У7А, У8А, У13А. Цифры в марке показывают среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Стали У7, У8, У9 имеют достаточно высокую вязкость и применяются для инструментов, подвергающихся ударам: столярного, слесарного, кузнечного инструмента, матриц, пуансонов и др.

Стали У10, У11, У12 применяют для инструмента с высокой твердостью на рабочих гранях (НRС 62…64). Это напильники, пилы, метчики, резцы, калибры и т.д.

Сталь У13 используют для инструментов, требующих наиболее высокую твердость: шаберов, гравировального инструмента.

Высококачественные стали имеют то же назначение, что и качественные, но из-за большей вязкости их применяют для инструментов с тонкой режущей кромкой.

Структура сталей в равновесном состоянии

Вид окончательно сформировавшейся микроструктуры сталей и сплавов зависит от содержания в них углерода и может быть определен по структурной диаграмме состояния Fe - Fе3С в соответствии с процессами, которые происходят для соответствующего состава сплава.

Микроструктура сталей, содержащих до 0,006% углерода, имеет зернистое (полиэдрическое) строение и представляет собой чистый феррит (рис.2, а). Такие стали при небольшой прочности обладают высокой пластичностью и ударной вязкостью.

Рис. 2. Схемы микроструктур стали в равновесном состоянии: а - ферритная; б - ферритно-цементитная; в -ферритно-перлитная: г - перлитная; д - перлитно-цементитная; 1 - феррит; 2 - цементит: 3 - перлит

При содержании в сталях углерода от 0,006 до 0,025% (техническое железо) их микроструктура представляет собой зерна феррита и расположенный по границам этих зерен третичный цементит (рис.2, 6). Хрупкая цементитная сетка снижает пластичность и вязкость сталей.  

Микроструктура сталей с содержанием углерода 0,025...0,8% состоит из зерен феррита и перлита (рис.2, в). При этом в сталях с содержанием углерода до 0,1...0,15% еще сохраняются включения третичного цементита. В структуре таких сталей при увеличении содержания углерода увеличивается количество перлита с соответствующим уменьшением феррита, что ведет к повышению прочности и твердости стали с одновременным снижением ударной вязкости и относительного удлинения.

При содержании углерода 0,8% микроструктура представляет собой зерна чистого перлита (рис.2, г). При рассмотрении под микроскопом перлит имеет вид темных включений неоднородного строения. Вследствие значительной дисперсности структуру перлита можно отчетливо различать только при увеличениях более чем в 500 раз. Перлит может иметь пластинчатую или зернистую структуру, что определяют условия охлаждения. При этом сталь с зернистой структурой перлита отличается лучшей пластичностью и обрабатываемостью резанием.

В микроструктуре стали, содержащей свыше 0,8% углерода, по границам зерен перлита располагается вторичный цементит, выделяющийся из аустенита при охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода. При содержании в стали 1% углерода цементит образует хрупкую сетку, которая разобщает между собой зерна перлита (рис. 2, д). Прочность стали при этом снижается.

Цементит третичный в сталях и чугунах, а также цементит вторичный в эвтектических и заэвтектических чугунах как самостоятельные структурные составляющие при микроструктурном анализе обычно не обнаруживаются.

Рассмотренные равновесные структуры обратимы, то есть они многократно реализуются при нагреве и охлаждении сплавов. Это справедливо только в случае, если нагревы и охлаждения протекают с достаточно малыми скоростями, то есть все фазовые превращения завершены и можно не учитывать необходимые для этого перегревы и переохлаждения.

Микроструктура углеродистой стали зависит от содержания углерода. При содержании 0,1% С сталь имеет преимущественно ферритную структуру (рис. 78). С увеличением содержания углерода в стали увеличивается количество перлита и при 0,8% С сталь имеет чисто перлитную структуру (рис 78), при этом ее прочность и твердость увеличиваются, а пластичность и магнитная проницаемость уменьшаются.

Схема микроструктур стальных отливок (белое поле — феррит, заштрихованное — перлит)

На рис. схематически изображена структура углеродистой стали с различным содержанием углерода. Легирующие элементы, добавленные в шихту в небольшом количестве, качественно не изменяют микроструктуру отливки, но измельчают ее, что повышает прочность стали.

Большое количество легирующих добавок изменяет структуру стали, поэтому в ней могут образовываться новые структурные составляющие: аустенит, мартенсит, тростит, сорбит, которые придают стали различные особые специальные свойства: износоустойчивость, химическую стойкость, жаростойкость и т. п.