Микроструктура сталей и чугунов в

Министерство образования и науки Российской Федерации
Северный (Арктический) федеральный университет
имени М.В. Ломоносова
Институт энергетики и транспорта
Микроструктура
сталей и чугунов в равновесном
состоянии
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
по материаловедению
Архангельск
2013
Рекомендовано к изданию
редакционно – издательским советом
Северного (Арктического) федерального университета
имени М.В. Ломоносова
Составители:
И.О. Думанский, доцент, канд. техн. наук.
В.М. Александров, доцент, канд. техн. наук.
В.Л. Сытин, ст. преп.
Рецензент
О.И. Бачин, доцент, канд. техн. наук
УДК669
Микроскопический анализ углеродистой стали и чугунов в
равновесном состоянии: метод. указания к выполнению лаб. работ по
материаловедению /сост.: И.О. Думанский, В.М. Александров, В.Л.
Сытин. – Архангельск: САФУ, 2013. – 22 с.
Приведены микроструктуры углеродистых сталей, белых и
серых чугунов в равновесном состоянии, а также свойства и
применение белых и серых чугунов.
Предназначены для студентов всех специальностей, изучающих
курс материаловедения.
Ил. 13. Табл. 2. Библиогр. 4 назв.
© Северный (Арктический)
федеральный университет, 2013
3
1.
МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УГЛЕРОДИСТОЙ
СТАЛИ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ
Структура углеродистой стали в равновесном состоянии
Сталью называется сплав железа с содержанием углерода до
2,14% .
Диаграмма состояния сплава железо-углерод (рис.1) определяет
условия образования структуры сталей с различной концентрацией
углерода в равновесном состоянии.
Под равновесным состоянием понимается такое, при котором
все фазовые превращения, присущие сплаву в данных условиях,
полностью завершились, и сплав обладает минимумом свободной
энергией. Такое состояние наступает при очень медленном нагреве,
охлаждении или длительной изотермической выдержке.
Рис. 1. Диаграмма состояния железо-углерод («стальной» участок)
4
Основными
линиями
диаграммы
железо-углерод,
соответствующими температурам фазовых превращений в сталях при
охлаждении, являются:
Линия GS – начало полиморфного превращения аустенита с
образованием феррита (Ф);
Линия PG – окончание образования феррита;
Линия SE – ограничение растворимости углерода в аустенита;
образование цементита вторичного (ЦІІ);
Линия PSK – эвтектоидное превращение: из аустенита
образуется ферритно-цементитная смесь (перлит);
Линия PQ – ограничение растворимости углерода в феррите;
образование цементита третичного (ЦІІІ).
Однофазные и двухфазные структуры в сталях
К однофазным структурам (фазам) относятся: феррит, аустенит,
цементит.
Феррит (Ф) – твёрдый раствор углерода в α-железе, решётка –
объёмно-центрированный куб (ОЦК). Максимальная растворимость
углерода в феррите при 727оС - 0,025% (точка P), при 20оС – менее
0,01% (точка Q). Феррит характеризуется высокой пластичностью
(δ=40...50%) и низкой твёрдостью (НВ700...800МПа), ферромагнитен.
Аустенит (А) – твёрдый раствор углерода в γ-железе, решётка –
гранецентрированный куб (ГЦК). Максимальная растворимость
углерода при 1147оС – 2,14% (точка E), при 727оС – 0,8% (точка S).
При 727оС аустенит распадается с образованием эвтектоидной
феррито-цементитной смеси - перлита. Аустенит пластичен, но
прочнее феррита (HB1600 … 2000 МПа) и парамагнитен.
Цементит (Ц) – химическое соединение железа и углерода,
карбид железа Fe3C, содержит 6,67% углерода. Кристаллическая
решётка сложная ромбическая типа алмаза. Цементит характеризуется
высокой твёрдостью (~НВ8000 МПа или HRC 70) и хрупкостью.
5
Двухфазная (гетерофазная) структура:
Перлит (П) – эвтектоидная феррито-цементитная смесь,
содержащая 0,8% углерода; образуется из аустенита при 727оС (линия
PSK). В зависимости от условий охлаждения и формы цементита
перлит бывает пластинчатым и зернистым. Перлит с более мелкими
частицами или пластинками цементита обладает более высокими
прочностными свойствами и меньшей пластичностью. Твёрдость
пластинчатого перлита НВ2000...2500 МПа, относительное удлинение
9...12%, твердость зернистого перлита HB1300…1500МПа,
относительное удлинение 15…20%
На микрошлифах при небольшом увеличении (100-200 раз)
перлит кажется тёмным с перламутровым отливом, так как он после
травления сильно рассеивает свет. При большом увеличении (5001000 раз) в отдельных зёрнах иногда различается пластинчатое
строение перлита.
Структура стали в равновесном состоянии с различным
содержанием углерода
По содержанию углерода стали делятся на: доэвтектоидные
(содержащие углерода от 0,025 до 0,8%), эвтектоидные (содержащие
углерода 0,8%) и заэвтектоидные (содержащие углерода от 0,8 до
2,14%). Такое разделение сталей обусловлено особенностями их
фазовых превращений в твёрдом состоянии. Сплавы, содержащие
менее 0,025% углерода, называются техническим железом.
Техническое железо с содержанием углерода от 0 до 0,01%
имеет структуру феррита (рис. 2).
Техническое железо с содержанием углерода от 0,01 до 0,025%
имеет структуру феррит + третичный цементит (по границам
ферритных зерен) (рис. 3).
Цементит, который образуется из жидкой фазы при
кристаллизации, называют первичным (ЦI). Цементит, который
образуется из твёрдой фазы аустенита от 1147 до 727оС (на линии SE),
6
называют вторичным (ЦII). Цементит, который образуется из твёрдой
фазы феррита (на линии PQ), называют третичным (ЦΙΙΙ).
Рис. 2. Структура технического железа (с содержанием углерода
от 0 до 0,01%) и ее схематичное изображение
Рис. 3. Структура технического железа с содержанием углерода
от 0,01 до 0,025%
Доэвтектоидные стали (0,025% < С < 0,8%) имеют ферритоперлитную структуру, причем на шлифе соотношение ферритных и
перлитных областей зависит от содержания углерода (рис. 4).
Такая
зависимость
позволяет
по
микроструктуре
ориентировочно определить содержание углерода в доэвтектоидных
сталях по формуле:
7
С= 0,8  П (%),
100
где П – площадь (в %), занятая в поле зрения перлитом;
определяется визуально.
а)
б)
в)
Рис. 4. Структура доэвтектоидных сталей с содержанием углерода:
а – 0,2%, б – 0,4%, в – 0,7%.
Эвтектоидная сталь имеет перлитную структуру (рис. 5).
8
а)
а)
б)
б)
Рис. 5. Структура эвтектоидной стали с пластинчатым (а)
и зернистым (б) перлитом
Заэвтектоидные стали после упрочняющей термической
обработки (закалка и отпуск) приобретают высокую твердость и
износостойкость и, как правило, являются инструментальными.
Цементит в таких сталях располагается по границам перлитных
зерен (колоний) в виде светлой сетки (рис. 6).
Рис. 6. Структура заэвтектоидной стали
9
Порядок выполнения работы
1. Вычертить диаграмму состояния железо-углерод на
развёрнутом листе бумаги и определить структурный и фазовый
состав сплавов, указанных преподавателем.
2. Зарисовать
условную
структуру
доэвтектоидных
и
эвтектоидных сталей с различным содержанием углерода, указанных
преподавателем.
3. Определить содержание углерода в образцах доэвтектоидной
стали, указанных преподавателем.
Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Дать определение стали.
Перечислить фазы в железоуглеродистых сталях.
Что такое равновесное состояние сплава?
Дать определение всем фазам
и структурам в
железоуглеродистых сплавах.
В чём различие между твёрдым раствором и химическим
соединением?
От чего зависит структура углеродистой стали в равновесном
состоянии?
Определить содержание углерода в стали по её микроструктуре
(сталь задаёт преподаватель).
Описать микроструктуру и назвать марки доэвтектоидной и
заэвтектоидной сталей.
Объяснить связь прочностных и пластических характеристик с
содержанием углерода в сталях.
На каком принципе основан выбор марок сталей для деталей,
работающих в различных условиях?
10
2. МИКРОАНАЛИЗ ЧУГУНОВ
Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие
от 2,14% до 6,67% углерода. Присутствие эвтектики в структуре обуславливает высокие литейные свойства чугуна и использование его в
качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в
двух состояниях: связанном – в составе цементита Fe3C,феррита и
аустенита – и в свободном – в виде графита. В зависимости от этого и
различают два основных вида чугуна – белый и серый.
Белые чугуны
Белыми называют чугуны, в котором весь углерод находится в
связанном состоянии. Свое название они получили из-за того, что их
излом имеет светлый специфический блеск. Эти чугуны в
зависимости от содержания углерода подразделяют на эвтектические
(С = 4,3%), доэвтектические (С = 2,14...4,3%) и заэвтектические
(С=4,3...6,67%). Их микроструктура в равновесном состоянии при
комнатной температуре полностью соответствует нижней части
"чугунного участка" диаграммы Fe-Fe3C (рис.7).
Преобладающей фазой белых чугунов является цементит,
поэтому их основные свойства определяются свойствами этой фазы.
Твердость белых чугунов колеблется в пределах НВ4500...7000МПа;
они хрупки и практически не поддаются обработке режущим
инструментом (за исключением абразивного). Поэтому белые чугуны
в качестве конструкционного материала для изготовления деталей
машин, как правило, не используются. Белые чугуны являются
11
исходным материалом для получения ковких чугунов путем
специального графитизирующего отжига.
Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны – отливки
из серого чугуна со слоем белого чугуна на поверхности, работающие
в условиях сильного износа (кулачковые валы двигателей, валки
прокатных станов).
а)
б)
в)
Рис. 7. Микроструктура белых чугунов:
а – доэвтектического, б – эвтектического,
в – заэвтектического (П – перлит, Л – ледебурит,
ЦI – цементит первичный)
Серые чугуны
Серыми называют чугуны, в которых большая часть углерода
находится в свободном состоянии в виде графита, поэтому излом этих
чугунов имеет темно-серый матовый цвет.
Серые
чугуны
являются
одним
из
основных
машиностроительных материалов, поскольку наряду с высокими
литейными свойствами имеют хорошую демпфирующую (звуко- и
вибропоглощающую) способность, высокие антифрикционные
свойства, значительно меньшую, по сравнению со сталью и
алюминиевыми сплавами, склонность к термическим деформациям
при эксплуатации, пониженную чувствительность к дефектам
поверхности. При этом они хорошо обрабатываются резанием.
Механические
свойства
серых
чугунов
(прочность,
пластичность, упругость, выносливость, ударная вязкость), как
правило, ниже, чем у стали, однако, их относительная дешевизна
12
наряду с более высокими технологическими свойствами,
перечисленными выше, позволяют во многих случаях использовать
серые чугуны как заменители стали, а иногда они являются
единственно возможными для применения материалами.
По химическому составу серые чугуны разделяют на
нелегированные и легированные. Нелегированные серые чугуны
содержат в качестве основных элементов железо (Fe), углерод (С) и
кремний (Si), а также постоянные примеси – марганец (Мn),
фосфор (Р) и серу (S). Все эти элементы влияют на условия
графитизации, количество графитных включений, структуру
металлической основы и, как следствие, на свойства чугуна. Углерод
и кремний способствуют графитизации и оказывают определяющее
влияние на качество чугуна, изменяя количество графита и литейные
свойства. Марганец затрудняет графитизацию, несколько улучшая
механические свойства чугуна. Сера и фосфор ухудшают его
механические свойства.
В легированных чугунах помимо основных элементов (Fe, С,
Si) в значительных количествах (более 1%) содержатся легирующие
элементы: хром, алюминий, никель, медь, молибден, придающие
чугуну особые свойства, такие как жаростойкость и жаропрочность,
высокуя коррозионнуя стойкость, немагнитность и др.
Серый чугун является своего рода композиционным
материалом, состоящим из металлической (стальной) основы
(матрицы) и графитного наполнителя (включений).
Микроструктура металлической матрицы серых чугунов в
равновесном состоянии аналогична микроструктуре сталей с
содержанием углерода от 0,01 до 0,8 % и выявляется на
микрошлифах, подвергнутых соответствующему химическому
травлению. Графитные включения хорошо видны на нетравленых
шлифах при стандартном увеличении 90 ... 100 раз.
По виду металлической основы различают:
1.
ферритный чугун со структурой «феррит + графит» и
количеством связанного углерода менее 0,025 % (рис.8а);
13
2.
3.
ферритно-перлитный чугун со структурой «феррит + перлит +
графит» и количеством связанного углерода от 0,025 до 0,8 %
(рис.8б);
перлитный чугун со структурой «перлит + графит» и
количеством связанного углерода 0,8 % (рис.8в).
а)
б)
в)
Рис.8. Микроструктура серых чугунов в равновесном состоянии:
а – ферритного, б – феррито-перлитного, в – перлитного
1.
2.
3.
4.
По форме графитных включений различают:
серый чугун с пластинчатым графитом (иногда его называют
обыкновенным серым чугуном), имеет достаточно крупные
графитные включения розетковидной, лепестковой формы
(рис.9а), которые в сечении наблюдаются в виде пластинок,
чешуек. (рис.9б);
серый чугун с вермикулярными графитными включениями в виде
коротких червеобразных прожилок (рис.10);
ковкий серый чугун, имеющий равномерно распределенные в
матрице графитные включения в виде хлопьев (рис.11) –
хлопьевидный (компактный) графит;
высокопрочный серый чугун, содержащий графит в виде
шаровидных
включений
или
капель,
равномерно
распределенных в матрице (рис.12) - шаровидный графит.
14
а)
б)
Рис.9. Форма пластинчатого графита, а - выделенное из чугуна графитное
включение, б - вид пластинчатого графита на микрошлифе
Рис.10. Микроструктура серого чугуна с вермикулярной формой
графита
а)
б)
Рис.11. Микроструктура ковкого чугуна на ферритной (а) и на
перлитной (б) основе.
Ф – феррит, П – перлит, Гр – графит
15
Рис.12. Микроструктура высокопрочного чугуна
Механические свойства серых чугунов.
Область применения
Механические свойства серого чугуна в определенной степени
зависят от вида металлической основы.
При одинаковом виде и величине графитных включений по мере
перехода от ферритной матрицы к перлитной прочность и твердость
чугуна возрастает, а пластичность падает (табл.1).
Таблица 1. Примерные механические свойства серых чугунов
Вид
металлической
основы
Ферритная
Ферритноперлитная
Перлитная
Предел
прочности
σв,МПа
Относительное
Твердость
удлинение
НВ, МПа
δ, %
200
0,5
1300
240
0,4
2000
320
0,2
2500
16
Однако, более серьезное, а порой и решающее влияние на весь
комплекс механических свойств, оказывает форма, размеры и
количество графитных включений. Такое влияние графита
обусловлено тем, что пустоты, образованные графитными
включениями, действуют как надрезы и микротрещины, ослабляющие
металлическую основу. Причем, чем более крупные и разветвленные
графитные включения присутствуют в чугуне, тем в большей степени
ослабляется матрица, и возрастает ее склонность к разрушению при
растягивающих, изгибающих, ударных и знакопеременных нагрузках.
И наоборот, чем меньше и тоньше пластины графита, чем больше они
изолированы друг от друга металлической основой, тем выше
прочность и, одновременно, пластичность чугуна. Они еще больше
возрастают, если форма включений приближается к хлопьевидной
или шаровидной (табл.2).
Все вышесказанное объясняет основные закономерности
изменения механических свойств различных видов серых чугунов и
определяет области их применения для изготовления деталей машин
и оборудования, работающих в различных эксплуатационных
условиях.
Обыкновенный серый чугун (СЧ), в структуре которого
присутствуют крупные разветвленные графитные включения
пластинчатой формы, имеет самый низкий комплекс прочностных и
механических свойств и, поэтому, используется для изготовления
мало- и средненагруженных деталей машин, не испытывающих
значительных растягивающих, знакопеременных и динамических
нагрузок и изгибающих моментов.
Для повышения статической и динамической прочности ряд
марок серых чугунов (СЧ30...СЧ45) подвергают модифицированию,
т.е. добавляют в жидкий чугун специальные присадки –
модификаторы (ферросилиций, силико-кальций) и, таким образом,
измельчают графитные включения.
Модифицированный серый чугун используют для ответственных
деталей, работающих при высоких нагрузках и в условиях
17
абразивного износа: зубчатых колес, гильз блоков цилиндров,
шпинделей, распределительных валов ДВС и т.д.
Серый чугун с вермикулярным графитом
занимает
промежуточное положение между серым чугуном с пластинчатым
графитом и ковким чугуном.
Ковкий серый чугун (КЧ) содержит в своей структуре графитные
включения хлопьевидной формы и поэтому обладает значительно
лучшими прочностными свойствами и более высокой пластичностью
по сравнению с обыкновенными серыми чугунами. Этот чугун
получают путем специального графитизирующего отжига.
Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих
при ударных и вибрационных нагрузках: корпусов редукторов,
ступиц, муфт, тормозных колодок и т.д.
Таблица 2. Примерные механические свойства серых ферритных
чугунов с различной формой графитных включений
Форма графитных
включений
Предел
прочности
σв, МПа
Относительное
Твердость
удлинение
НВ, МПа
δ, %
Пластинчатая
(обычный
серый
чугун)
200
0,5
1300
Хлопьевидная
(ковкий чугун)
400
10
1500
Шаровидная
(высокопрочный
чугун)
600
15
1600
Высокопрочный серый чугун (ВЧ) содержит в своей структуре
графит шаровидной формы. Этот чугун получают модифицированием
жидкого чугуна магнием или сплавом магния и никеля. Поскольку
шаровидный графит является меньшим концентратором напряжений,
чем пластинчатый или хлопьевидный, то высокопрочный чугун
18
обладает наилучшим комплексом прочностных и, прежде всего,
динамических механических свойств и достаточно высокой
пластичностью, что позволяет применять его в различных отраслях
техники, эффективно заменяя сталь во некоторых изделиях и
конструкциях. Из высокопрочных чугунов изготовляют оборудование
прокатных станов, кузнечно-прессовое оборудование, коленчатые
валы, поршни и другие ответственные детали, работающие при
высоких циклических знакопеременных нагрузках и в условиях
изнашивания.
В ряде случаев для улучшения механических свойств и,
особенно износостойкости детали из серых и высокопрочных чугунов
подвергаются упрочняющей термической обработке: нормализации
или закалке и последующему отпуску. Для стабилизации размеров и
формы, а также повышения пластичности отливок из серых чугунов
применяют отжиг.
Наряду с серыми чугунами общего назначения в
машиностроении достаточно широко применяются специальные
серые чугуны.
Среди них можно выделить следующие группы:
1.
антифрикционные серые
чугуны (АЧ) применяются для
изготовления подшипников скольжения, втулок вкладышей и
т.д., работающих в узлах трения со смазкой. Для обеспечения
низкого коэффициента трения и высокой износостойкости эти
чугуны имеют, как правило, перлитную или ферритноперлитную металлическую основу с большим количеством
крупных разрозненных графитных включений и фосфидной
эвтектикой (Fe3Р). Антифрикционные чугуны, так же, как и
серые чугуны общего назначения, могут иметь графитные
включения
различной
формы:
пластинчатой
(АЧС),
хлопьевидной (АЧК) и шаровидной (АЧВ) и специальное
легирование хромом, титаном, медью и т.д.;
2.
жаростойкие и жаропрочные чугуны обладают окалиностойкостью, длительной прочностью и низкой ползучестью при
19
3.
4.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
высоких (до 700...800°С) температурах. Это достигается
специальным легированием чугунов хромом, никелем,
кремнием, медью при достаточно высоких концентрациях
(10...30%);
коррозионно-стойкие чугуны обладают высокой коррозионной
стойкостью в серной, азотной и ряде органических кислот и
щелочей. С этой целью их легируют кремнием (до 17%),хромом
(до 32%), молибденом (до 4%) и медью (до 7%);
немагнитные (парамагнитные) серые чугуны используются для
изготовления различных деталей электрических машин и узлов,
работающих в переменных магнитных полях. В качестве таких
чугунов используются высоколегированные аустенитные
чугуны, в частности никелевые: серый ЧН15Д7 (Ni – 15%, Cu –
7%) и с шаровидным графитом ЧН15ДЗШ (Ni – 15%, Cu – 3%),
ЧН19ХЗШ (Ni – 19%,Cr – 3%), ЧН11Г7Ш (Ni – 11%, Si – 7%),
имеющие аустенитную структуру металлической основы.
Контрольные вопросы
Какие сплавы называют чугунами?
Что такое эвтектика (ледебурит)?
В чем различие между белыми и серыми чугунами?
Почему белые чугуны не нашли широкого применения, в
качестве конструкционного материала?
Как разделяют серые чугуны по химическому составу,
металлической основе, по форме графитных включений?
Какова структура металлической основы чугуна, если весь
углерод, входящий в его состав, находится в свободном
состоянии?
Можно ли только по микроструктуре определить, является ли
чугун серым, ковким
или
высокопрочным? По какому
признаку?
Задний мост грузовых автомашин работает в условиях
20
динамических нагрузок. Какой материал и почему можно
использовать для изготовления такой детали: а –
высокопрочный серый чугун, б – ферритный ковкий чугун, в –
стальное литье?
21
ПРИЛОЖЕНИЕ
Диаграмма «Железо-углерод»
22
Список рекомендуемой литературы
1 Гуляев, А.П., Гуляев, А.А. Металловедение: Учебник для вузов
[Текст]/ А.П. Гуляев, А.А. Гуляев, 7-е изд., перераб. и доп. М,
ИД Альянс, 2011. – 644 с.
2 Материаловедение: учебник для вузов [Текст]/ Б.Н. Арзамасов,
В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова,
Г.Г. Мухина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 648 с.
3 Материаловедение и технология металлов: учебник для вузов
[Текст]/ Т.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. М.:
Высш. шк., 2002. – 638 с.
4 Лахтин, Ю.М., Леонтьева, В.П. Материаловедение: учебник для
вузов [Текст]/ Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева, М.: Альянс, 2011.
– 448 с.
23
Оглавление
1. Микроскопический анализ углеродистой
стали в равновесном состоянии……………………………..3
Структура углеродистой стали в равновесном состоянии...3
Однофазные и двухфазные структуры в сталях……………4
Структура стали в равновесном состоянии с
различным содержанием углерода…………………………..5
Порядок выполнения работы………………………………..8
Контрольные вопросы………………………………………..9
2. Микроанализ чугунов………….……………………………..10
Белые чугуны………………………………………………….10
Серые чугуны……………………………………………….....11
Механические свойства серых чугунов.
Область применения…………………………………………..15
Контрольные вопросы…………………………………………19
Приложение. Диаграмма «Железо – углерод»……………….....21
Список рекомендуемой литературы……………………………..22
24
25
26
27