Диаграмма железо-углерод

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТКМ

Методические указания к лабораторной работе

«Определение марки углеродистой качественной стали по её микроструктуре»

для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 250400 «Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств» и 280700 «Техносферная безопасность»

БРЯНСК 2012

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Брянская государственная инженерно-технологическая академия»

Кафедра технологии конструкционных материалов и ремонта машин

Утверждены научно-методическим

советом БГИТА

протокол № 3 от «29» марта 2012 года

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТКМ

Методические указания к лабораторной работе

«Определение марки углеродистой качественной стали по её микроструктуре»

для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 250400 «Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств» и 280700 «Техносферная безопасность»

БРЯНСК 2012

УДК 621 (075.8)

Материаловедение и ТКМ: Методические указания к лабораторной работе

«Определение марки углеродистой качественной стали по её микроструктуре»

для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 250400 «Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств» и 280700 «Техносферная безопасность»/ Брянск. гос. технол. акад. Сост. Сильман Г.И. – Брянск: БГИТА, 2012. – 10 с.

В лабораторной работе приводятся сведения об основных фазах и структурных составляющих сталей. Приводятся особенности структуры, маркировки и свойств качественных углеродистых сталей. Изложена методика определения марки стали по её микроструктуре на основе правила отрезков.

Для студентов очной и заочной форм обучения.

Рецензент:

доктор технических наук Брянского государственного технического университета, профессор Давыдов С.В.

Рекомендованы редакционно-издательской и методической комиссиями механико-технологического факультета БГИТА.

Протокол № 6 от «24» февраля 2012 г.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРКИ УГЛЕРОДИСТОЙ КАЧЕСТВЕННОЙ

СТАЛИ ПО ЕЕ МИКРОСТРУКТУРЕ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомиться с метастабильной диаграммой железо-углерод, изучить влияние содержания углерода на структуру отожженной стали, научиться по структуре определять марку качественной углеродистой стали.

2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Диаграмма железо-углерод

Метастабильная диаграмма состояния железо-углерод обычно охватывает сплавы, содержащие от 0 до 6,67% углерода (рисунок 1). При 6,67% углерода образуется химическое соединение – карбид железа или цементит Fe₃С. Все железоуглеродистые сплавы разбиты на 3 группы: техническое железо (до 0,03%C углерода), стали (от 0,03 до 2,14% углерода) и чугуны (более 2,14% углерода).

Рисунок 1 – Фрагмент метастабильной диаграммы состояния железо-углерод

Ниже приведены основные характеристики фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в g-железо. Имеет гранецентрированную кубическую решетку (Г.К.Ц.). Растворимость углерода в аустените зависит от температуры. Максимальная растворимость углерода соответствует температуре 1147°С и составляет 2,14%, при температуре эвтектоидного равновесия (727°С) растворимость углерода значительно ниже (0,8%).

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в a-железо. Имеет объемноцентрированную кубическую решетку (О.Ц.К.). Максимальная растворимость углерода в феррите (в низкотемпературной области диаграммы) составляет примерно 0,03 % при 727°С.

Цементит (карбид железа) – химическое соединение Fе₃С, содержащее 6,67% углерода. Обладает сложной кристалли­ческой решеткой, металлическими свойствами (металлическим блеском, тепло- и электропроводностью) и слабыми магнитными свойствами.

Перлит – эвтектоидная механическая смесь, состоящая из феррита и цементита. Перлиту соответствует точка S на диаграмме при 727°С и 0,8 %С. Образуется перлит при распаде аустенита.

Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при кристаллизации расплава и содержащая 4,3 %С. Ледебуриту соответствует на диаграмме точка С при 1147°С. При температуре ниже 727°С аустенит ледебурита превращается в перлит.

Микроструктура технического железа

Структура технического железа при комнатной температуре состоит из феррита (a-фазы) или феррита и третичного цементита (рис.2). При комнатной температуре железо, содержащее до 0,006 %С,имеет в структуре только одну фазу – феррит. Третичный цементит имеется в структуре железа, содержащего от 0,006 до 0,03 % углерода. Третичный цементит выделяется в виде отдельных включений по границам зерен феррита.

Рисунок 2 – Микроструктуры технического железа

а) феррит, х 500,

б) феррит и третичный цементит, х 1000

Микроструктуры сталей

По структуре в равновесном (отожженном) состоянии стали подразделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Доэвтекгоидными называют стали, содержащие от 0,03 до 0,8% углерода. Структура этих сталей состоит из феррита (светлые зерна на рисунок 3, а) и перлита (темные зерна). Количество перлита П в стали изменяется пропорционально содержанию углерода:

%, (1)

где С – среднее содержание углерода в стали в процентах по массе.

Из формулы (1) следует, что по количеству перлита в структуре можно определять примерное содержание углерода в доэвтектоидной стали:

%, (2)

Эвтектоидная сталь содержит 0,8% углерода. Структура этой стали состоит только из зерен перлита (рисунок 3, б). Полосчатое строение перлита видно при достаточно больших увеличениях микроскопа. При малых увеличениях перлит выявляется в виде темных зерен.

Рисунок 3 – Микроструктуры сталей

а) доэвтектоидной, х 200,

б) эвтектоидной, х 500,

в) заэвтектоидной, х 300

Заэвтектоидными называются стали, содержащие от 0,8 до 2,14% углерода. Их структура состоит из перлита и вторичного цементита. При медленном охлаждении заэвтектоидных сталей от температур выше 727°С вторичный цементит выделяется в виде сетки по границам зерен аустенита. При 727°С аустенит превращается в перлит и структура заэвтектоидной медленно охлажденной стали состоит из темных зерен перлита и светлой сетки вторичного цементита (рисунок 3, в). Чем больше углерода в эаэвтектоидной стали, тем более массивной (толстой) получается цементитная сетка. Количество вторичного цементита в заэвтектоидной стали можно определить по следующей формуле:

%, (3)

Схемы зарисовки микроструктур технического железа и отожженных углеродистых сталей показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схемы зарисовки микроструктур технического железа

и отожженных углеродистых сталей

Маркировка качественных углеродистых сталей

По назначению углеродистые стали подразделяютнаконструкционные (используемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений) и инструментальные. По качеству стали классифицируют на три группы: обыкновенного качества, качественные и высококачествен­ные. В составе качественных сталей содержание вредных примесей ограничено 0,04 % S и 0,04% Р.

Химический состав и механические свойства качественных сталей должны соответствовать ГОСТу 1050-88. Эти стали маркируют числами 08, 10, 15, 20..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Углеродистые качественные инструментальные стали в соответствии с ГОСТом 1435-88 маркируют буквой У и числом, показывающим содержание углерода в десятых долях процента. Эти стали содержат от 0,7 до 1,3% С и подразделяются на марки У7, У8, У9, У10. У11, У12, У13.

3. НЕОБХОДИМЫЕ ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ

3.1. Микроскопы МИМ-7.

3.2. Микрошлифы технического железа и сталей.

4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ И СОДЕРЖА­НИЕ ОТЧЕТА

4.1. Изобразить диаграмму состояния железо-цементит, привести классификацию Fe-C-сплавов и дать определение всем структурным составляющим и фазам. Провести на диаграмме вертикальные линии, соответствующие рассматриваемым сплавам.

4.2. Рассмотреть под микроскопом и изучить микроструктуры технического железа и углеродистых отожженных сталей (доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтекгоидной).

4.3. Каждую микроструктуру зарисовать в кругах диаметром 30мм или квадратах размером 30х30мм.

4.4. Под каждой микроструктурой дать подпись с указанием наименования сплава и увеличения микроскопа.

4.5. На каждой зарисованной микроструктуре указать стрелками различные фазы, структурные составляющие и около стрелок написать их наименование.

4.6. С использованием формулы (2) рассчитать содержание углерода в доэвтектоидной стали по площади микрошлифа, занятой перлитом. По содержанию углерода определить марку стали. Для заэвтектоидной стали указанной преподавателем марки рассчитать по формуле (3) количество вторичного цементита.

5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

5.1. Ю. А. Геллер, А. Г. Рахштадт. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1983. – С. 214-218.

5.2. Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1980. – С. 121-130.

5.3. Б. Г. Гринберг, Т. М. Иващенко. Лабораторный практикум по материаловедению и термической обработке. – М.: Высшая школа, 1968. – С. 77-99.

5.4. Материаловедение (под ред. Б. Н. Арзамасова). – М.: Машиностроение, 1986. – С. 55-60.

Сильман Григорий Ильич

Дата добавления: 2015-07-07