Фазы и структурные составляющие системы железо – углерод.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

«Микроструктуры углеродистых и легированных сталей и сплавов»

Цель работы: изучить разновидности структур различных сталей и сплавов.

Оборудование и материалы: Металлографический микроскоп МКИ-2М-1, образцы различных сталей и сплавов, травильный раствор, компьютерный комплекс для металлографии.

Сведения из теории.

Основные понятия теории сплавов.

Ввиду разнообразных специфических свойств в технике обычно применяют сплавы различных химических элементов. Сплавами называют вещества, полученные преимущественно сплавлением нескольких металлов или металлов с неметаллами. Для сплавов характерен в основном металлический тип связи.

Компонентами называются вещества, образующие систему. Компонентами могут быть металлы и неметаллы, а также устойчивые, т.е. не диссоциирующие на составные части в рассматриваемом интервале температур, вещества – химические соединения. Так, для цветных сплавов часто компонентами являются металлы (например, медь с цинком образует латунь), а для железоуглеродистых – металлы с неметаллами (железо с углеродом образуют чугун, сталь). Компонент, преобладающий в сплаве, называется основным. Компоненты, введённые в сплав для придания нужных ему свойств, называются легирующими.

Компоненты в сплавах могут образовывать следующие фазы: 1). жидкие растворы; 2). твердые чистые металлы; 3). твердые растворы; 4). химические соединения.

Фазой называют однородную часть системы, имеющую одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние, и отделённую от остальных частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую структура и свойства вещества меняются скачкообразно. Совокупность фаз, находящихся в равновесии при определённых внешних условиях (давлении, температуре), называют системой.

Для нас представляют интерес твердые растворы замещения и внедрения. Твердый рас­твор замещения образуется замещением части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворенного компонента. Если оба компонента имеют однотипные кристалличе­ские решетки, а атомные диаметры отличаются не более чем на 18%, то возможна неограниченная растворимость, например, для сплавов железо - хром, золото - серебро и др.

Твердый раствор внедрения образуется путем внедрения атома рас­творенного компонента в междоузлие (пустоты) кристаллической ре­шетки. В гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке (рис. 1) такая пустота находится в центре куба. В объемноцент­рированной кубической (ОЦК) решетке (рис. 2) центр пустоты находится на грани. Твердые растворы внедрения харак­терны для составов металлов с элементами 1-го и 2-го периодов, име­ющих малые атомные диаметры (С, В, N). Концентрация элемен­тов в твердом растворе обычно невелика.

Рис. 1. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) решетка.

Рис. 2. Объемноцентрированная кубическая (ОЦК) решетка.

Образование твердых растворов сопровождается искажением кри­сталлической решетки растворителя. Это искажение тем больше, чем больше разница в размерах атомов и строении их кристаллических ре­шеток, чем выше концентрация растворенного компонента. При чрез­мерном искажении решетки дальнейшая растворимость становится невозможной. Наступает предельная растворимость, при которой до­полнительно вводимые атомы не могут войти в решетки и образуют самостоятельную фазу с кристаллической решеткой, отличной от ре­шетки растворителя.

Химические соединения образуются при сплавлении различных металлов или металлов с неметаллами, а также при выде­лении из твердых растворов из-за понижения растворимости второго компонента. Химическое соедине­ние - это кристаллическое тело, имеющее кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, которая отлична от решеток элементов, образующих это соединение. Химические соединения, как и чистые металлы, имеют постоянную температуру плавления и, как правило, обладают большой твердостью и хрупкостью.

Механическая смесь - это гетерофазная структура, образующаяся из нескольких компонентов, когда при кристаллизации компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступа­ют в химическое взаимодействие с образованием соединения. Механические смеси могут состоять из кристаллов (зерен) чис­тых компонентов, насыщенных твердых растворов и химических сое­динений. При образовании механической смеси кристаллические ре­шетки фаз не изменяются.

Рис. 3. Диаграмма состояния системы железо – углерод.

Механическая смесь двух видов кристаллов, одновременно кристал­лизующихся из жидкости, называется эвтектикой. Механическая смесь двух видов кристаллов, одновременно кристал­лизующихся из твердого раство­ра, называется эвтектоидом.

Структура – взаимное расположение фаз в сплаве, их форма и размеры.

Структурные составляющие сплава – обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение и характерные свойства.

Классификация сталей.

Стали классифицируются по качеству, химическому составу, назна­чению, степени раскисленности, структуре и т.д.

По качеству стали бывают обыкновенного качества (массовая доля серы не более 0,05% и фосфора - до 0,040%); качественные (массовая доля серы до 0,035% и фосфора - до 0,035%); высококачественные (массо­вая доля серы до 0,025% и фосфора - до 0,025%); особовысококачественные (массовая доля серы до 0,015% и фосфора - до 0,025%).

В зависимости от условий и степени раскисления различают спо­койные (сп), кипящие (кп) и полуспокойные (пс) стали.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легиро­ванные.

В углеродистых сталях решающее влияние на их свойства оказыва­ет содержание углерода. Примеси Мn и Si в пределах 0,8...1%. В зави­симости от содержания углерода стали делят на малоуглеродистые (массовая доля углерода до 0,25%), среднеуглеродистые (массовая до­ля углерода 0,25...0,55%), высокоуглеродистые (массовая доля углеро­да 0,60...1,3%).

Легированными называются стали, в которых кроме обычных при­месей и углерода содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы. Ле­гированные стали в зависимости от содержания легирующих элемен­тов делятся на низколегированные (с содержанием легирующих эле­ментов в сумме не более 2,5...3%), легированные (с содержанием леги­рующих элементов 2,5...10%) и высоколегированные (с содержанием легирующих элементов свыше 10%).

Легированные стали маркируют цифрами и буквами, например, 15Х, 10Г2СД, 16Г2АФ, 20Х2Н4А и т.д. Двузначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в со­тых долях процента, буквы русского алфавита обозначают легирую­щий элемент: А - азот (N) только в середине обозначения, Б - ниобий (Nb), В - вольфрам (W), Г - марганец (Мn), Д - медь (Сu), Е - селен (Sе), К - кобальт (Со), Н - никель (Ni), М - молибден (Мо), П - фосфор (Р), Р - бор (В), С - кремний (Si), Т - титан (Тi), Ф - ванадий (V), Х -хром (Сг), Ц - цирконий (Zr), Ч - редкоземельный, Ю - алюминий (Аl).

Цифры после буквы указывают примерное содержание соответству­ющего легирующего элемента в целых процентах: отсутствие цифры указывает, что оно составляет до 1% и менее.

Основная масса легированных сталей выплавляется качественной.

Высококачественные стали содержат меньше вредных примесей и обозначаются буквой А, помещенной в конце обозначения марки.

Особовысококачественные стали в конце марки имеют буквенное обозначение, характеризующее способ очистки от вредных примесей. Например, 30ХГС-ЭШ: буквы "ЭШ" обозначают, что сталь подверг­лась электрошлаковому переплаву.

По назначению стали подразделяют на конструкционные, инстру­ментальные и стали специального назначения.

Конструкционные стали.

Конструкционными называются стали, применяемые для изготовле­ния конструкций и сооружений, деталей машин и механизмов. Эти стали могут быть как углеродистыми, так и легированными. Содержа­ние углерода в конструкционных сталях не превышает 0,5...0,6%. Кон­струкционные стали должны иметь высокие механические свойства и обладать хорошими технологиче­скими свойствами.

Конструкционная сталь поставляется горячекатаной и холодноката­ной в виде листов, полос, сортовых и фасонных профилей, гнутых профилей и др.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

«Источники питания для ручной электродуговой сварки»

Цель работы: ознакомиться с источниками питания и изучить структурную и электромагнитную схемы трансформатора, научиться снимать внешнюю характеристику и уметь настраивать сварочный трансформатор на заданные ток и напряжение.

Сведения из теории.

Рис. 1. Блок-схема инверторного источника питания.

В инверторных источниках питания напряжение от силовой лини преобразуется в постоянное входным выпрямителем (рис. 1). Инвертор преобразует его в переменное частотой до 100000 Гц. Далее напряжение подается на понижающий высокочастотный трансформатор. Через диодный выпрямитель и сглаживающий дроссель подключается электрод.

В Беларуси инверторные источники питания предлагаются шведской фирмой «ESAB» которые имеют диапазон изменения сварочного тока 5-250 А при массе источников 5,5-11 кг. Лучшие характеристики имеет сварочный аппарат «Грин Мастер» МК 500А российского производства.

Характеристики «Грин Мастер» МК 500А: Сварочный ток –постоянный, пульсирующий, импульсный 5-650 А; масса – 7,5 кг; температура среды — -55 +125⁰С; возможна работа от аккумуляторов.

Сварочные материалы.

Материалы, из которых изготавливаются сварные конструкции, на­зываются свариваемыми материалами. Сварочные материалы - это материалы, обеспечивающие протекание сварочных процессов и пол­учение качественного сварного соединения. К сварочным материалам относятся защитные газы, присадочные проволоки, электроды, флю­сы.

Защитные газы.

При сварке применяют инертные и активные защитные газы. К инертным защитным газам относятся аргон и гелий, которые исполь­зуются при сварке активных интенсивно окисляющихся металлов. Та­кими металлами являются алюминий, магний, титан, молибден, цирко­ний и их сплавы, а также стали, содержащие хром, никель, титан и др. Активные защитные газы в процессе сварки вступают в химические реакции со свариваемым металлом. К ним относятся углекислый газ, азот, водород, пары воды. Наибольшее применение в сварочном произ­водстве нашел углекислый газ.

Углекислый газ применяют при автоматической или полуавтомати­ческой сварке плавящимся электродом низкоуглеродистых и низколе­гированных сталей. Этот газ - активный окислитель, так как, диссоциируя в дуге, он выделяет свободный кислород, окисляющий ванну.

Основное назначение углекислого газа при сварке - защита расплавленного металла от азота воздуха. Окисление сварочной ванны кислородом, выделяющимся при диссоциации углекислого газа, при­водит к окислению углерода в сварочной ванне по реакции: FеО + С = СО + Fе.

Так как окись углерода СО нерастворима в железе, то протекание этой реакции сопровождается бурным выделением в жидком металле пузырьков газа СО, вследствие чего сварные швы оказываются пора­женными пористостью. Для предотвращения выделения пузырьков окиси углерода в шве применяют специальные электродные проволо­ки, содержащие повышенное количество марганца и кремния (напри­мер, проволоку Св-08Г2С). Марганец и кремний, обладающие боль­шим сродством к кислороду, чем углерод, восстанавливают железо из окислов, предотвращая окисление углерода. Углекислый газ дешев, недефицитен. Для сварки газ поставляют по ГОСТ 8050-85. Поставляют и хранят углекислый газ в баллонах черного цвета с жёлтой надписью.

Сварочные флюсы.

Флюсы, для дуговой и электрошлаковой сварки. Для автоматической и полуавтоматической дуговой и электрошлаковой сварки исполь­зуют сыпучее вещество – флюс. Сварочным флюсом называют неметаллический материал, под слоем которого горит дуга или идет процесс электрошлаковой сварки, и расплав которого необходим для защиты металла шва от окружающей среды, а также для раскисления и легирования шва.

Флюс должен обеспечивать хорошее формирование и надлежащий химический состав шва, высокие механические свойства сварных сое­динений, отсутствие пор и трещин, устойчивость процесса сварки, легкую отделяемость шлаковой корки от поверхности шва.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

«Микроструктуры углеродистых и легированных сталей и сплавов»

Цель работы: изучить разновидности структур различных сталей и сплавов.

Оборудование и материалы: Металлографический микроскоп МКИ-2М-1, образцы различных сталей и сплавов, травильный раствор, компьютерный комплекс для металлографии.

Сведения из теории.

Основные понятия теории сплавов.

Ввиду разнообразных специфических свойств в технике обычно применяют сплавы различных химических элементов. Сплавами называют вещества, полученные преимущественно сплавлением нескольких металлов или металлов с неметаллами. Для сплавов характерен в основном металлический тип связи.

Компонентами называются вещества, образующие систему. Компонентами могут быть металлы и неметаллы, а также устойчивые, т.е. не диссоциирующие на составные части в рассматриваемом интервале температур, вещества – химические соединения. Так, для цветных сплавов часто компонентами являются металлы (например, медь с цинком образует латунь), а для железоуглеродистых – металлы с неметаллами (железо с углеродом образуют чугун, сталь). Компонент, преобладающий в сплаве, называется основным. Компоненты, введённые в сплав для придания нужных ему свойств, называются легирующими.

Компоненты в сплавах могут образовывать следующие фазы: 1). жидкие растворы; 2). твердые чистые металлы; 3). твердые растворы; 4). химические соединения.

Фазой называют однородную часть системы, имеющую одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние, и отделённую от остальных частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую структура и свойства вещества меняются скачкообразно. Совокупность фаз, находящихся в равновесии при определённых внешних условиях (давлении, температуре), называют системой.

Для нас представляют интерес твердые растворы замещения и внедрения. Твердый рас­твор замещения образуется замещением части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворенного компонента. Если оба компонента имеют однотипные кристалличе­ские решетки, а атомные диаметры отличаются не более чем на 18%, то возможна неограниченная растворимость, например, для сплавов железо - хром, золото - серебро и др.

Твердый раствор внедрения образуется путем внедрения атома рас­творенного компонента в междоузлие (пустоты) кристаллической ре­шетки. В гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке (рис. 1) такая пустота находится в центре куба. В объемноцент­рированной кубической (ОЦК) решетке (рис. 2) центр пустоты находится на грани. Твердые растворы внедрения харак­терны для составов металлов с элементами 1-го и 2-го периодов, име­ющих малые атомные диаметры (С, В, N). Концентрация элемен­тов в твердом растворе обычно невелика.

Рис. 1. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) решетка.

Рис. 2. Объемноцентрированная кубическая (ОЦК) решетка.

Образование твердых растворов сопровождается искажением кри­сталлической решетки растворителя. Это искажение тем больше, чем больше разница в размерах атомов и строении их кристаллических ре­шеток, чем выше концентрация растворенного компонента. При чрез­мерном искажении решетки дальнейшая растворимость становится невозможной. Наступает предельная растворимость, при которой до­полнительно вводимые атомы не могут войти в решетки и образуют самостоятельную фазу с кристаллической решеткой, отличной от ре­шетки растворителя.

Химические соединения образуются при сплавлении различных металлов или металлов с неметаллами, а также при выде­лении из твердых растворов из-за понижения растворимости второго компонента. Химическое соедине­ние - это кристаллическое тело, имеющее кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, которая отлична от решеток элементов, образующих это соединение. Химические соединения, как и чистые металлы, имеют постоянную температуру плавления и, как правило, обладают большой твердостью и хрупкостью.

Механическая смесь - это гетерофазная структура, образующаяся из нескольких компонентов, когда при кристаллизации компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступа­ют в химическое взаимодействие с образованием соединения. Механические смеси могут состоять из кристаллов (зерен) чис­тых компонентов, насыщенных твердых растворов и химических сое­динений. При образовании механической смеси кристаллические ре­шетки фаз не изменяются.

Рис. 3. Диаграмма состояния системы железо – углерод.

Механическая смесь двух видов кристаллов, одновременно кристал­лизующихся из жидкости, называется эвтектикой. Механическая смесь двух видов кристаллов, одновременно кристал­лизующихся из твердого раство­ра, называется эвтектоидом.

Структура – взаимное расположение фаз в сплаве, их форма и размеры.

Структурные составляющие сплава – обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение и характерные свойства.

Фазы и структурные составляющие системы железо – углерод.

В зависимости от содержания углерода и температуры в системе железо - углерод наблюдаются од­нофазные структуры образования - жидкий сплав углерода и железа, твердые растворы углерода в же­лезе - феррит и аустенит, химиче­ское соединение железа и углеро­да - цементит, структурно свобод­ный углерод - графит, а также двухфазные структурные состав­ляющие - перлит и ледебурит.

Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в a-железе, имеет ОЦК решетку (рис. 2). Максималь­ная растворимость углерода в a-железе при температуре 727°С со­ставляет 0,02%. Феррит магнитен, на диаграмме состояния Fе-С (рис.3) занимает область GРQ. Он характеризуется низкой прочностью (s_в=250 МПа, s_0,2=120 МПа) и твердостью (80...100 НВ), высокой пластичностью (d=50%, y=80%).

Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в g-железе, имеет ГЦК решетку (рис. 1). Предельная раство­римость углерода в g-железе при температуре 1147°С составляет 2,14%. Аустенит немагнитен, на диаграмме состояния Fе-С занимает область АЕSG. Он имеет твердость 160 НВ при высокой пластичности (d=40...50%), низкий предел текучести.

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (кар­бид железа Fе₃С), содержит 6,67% С. Цементит имеет сложную ром­бическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита не установлена и принимается равной 1252 °С. Цементит характеризуется высокой твердостью (>800НВ) и очень низкой пластичностью. Он является метастабильной фазой и при нагреве распадается с выделением свободного графита. В зависи­мости от условий образования различают цементит первичный (Ц_I),который образуется из жидкости при затвердевании расплава, вторичный (Ц_II) - образуется при распаде аустенита и третичный (Ц_III) - образу­ется при выделении углерода из феррита.

Перлит (П) - двухфазная (эвтектоидная) механическая смесь феррита и цементи­та, содержащая 0,83% С, образуется при 727 °С в результате распада аустенита в процессе его охлаждения. Перлит может быть пластинчатым (состоящим из чередующихся пластинок цементита и феррита) и зернистым, что определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит име­ет прочность s_в=800 МПа, пластичность d=15%, твердость 160...200 НВ.

Ледебурит (Л) - двухфазная (эвтектическая) механическая смесь аустенита и цементита. Образуется в результате кристаллизации жид­кого расплава, содержащего 4,3% С при температуре 1147 °С. Твер­дость ледебурита 600...700 НВ. Он очень хрупок. Так как при темпера­туре ниже эвтектоидной (727 °С) аустенит превращается в перлит, то ледебурит ниже эвтектоидной прямой РК состо­ит из цементита и перли­та.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые спла­вы делят на техническое железо (содержание углерода от 0 до 0,02%), стали (от 0,02 до 2,14%) и чугуны (от 2,14 до 6,67%). Стали, в свою оче­редь, делят на доэвтектоидные (С<0,8%), эвтектоидные (С=0,8%) и заэвтектоидные (С>0,8%). Доэвтектоидные стали используются преимущественно в качестве конструкционных, эвтектоидные и заэвтектоидные – в качестве инструментальных материалов. Структура доэвтектоидных сталей (рис. 4) состоит из феррита (белые включения) и перлита (темные включения). С увеличением со­держания углерода количество перлита увеличивается, а феррита - уменьшается. Структура эвтектоидной стали (рис. 5) на 100% состоит из перлита, а заэвтектоидной (рис. 6) - из перлита (темные участки) и цементита (светлые участки в виде сетки по границам зерен).

На диаграмме состояния представлены так называемые белые чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в со­ставе цементита. Эти чугуны в зависимости от содержания угле­рода и структуры классифицируют на доэвтектические (массовая доля углерода меньше 4,3%), эвтектические (массовая доля углерода равна 4,3%) и заэвтектические (массовая доля углерода 4,3...6,67%).

Они практически не поддаются обработке резанием и используются для последующего передела в сталь или ковкий чугун.

Специальным легированием и (или) замедленным охлаждением можно создать условия, при которых кристаллизация чугунов будет сопровождаться выделением из железоуглеродистого расплава угле­рода в свободном состоянии в виде графита, или (и) получают разви­тие процессы распада цементита с выделением структурно свободного графита по реакциям Ц®А+Г; Ц®Ф+Г.

Такие чугуны, в которых весь углерод либо его значительная часть находятся в свободном состоянии - в виде графита, называются серыми.

По структуре серые чугуны отличаются от стали только тем, что в них имеются графитовые включения, предопределяющие специ­фические свойства чугунов.

Графит в чугунах может быть в четырех основных формах:

- в виде лепестков, пластинок - пластинчатый графит;

- в виде червеобразных прожилок - вермикулярный графит;

- в виде округлых включений - шаровидный графит;

- в виде равноосных компактных, но не округлых форм - хлопьевид­ный графит.

Свойства чугунов зависят от свойств металлической основы (по этому признаку серые чугуны разделяют на перлитные, ферритоперлитные и ферритные), коли­чества и характера графитовых включений.

По форме графита различают чугун с пластинчатым графитом -обычный серый чугун (СЧ), с червеобразным графитом - серый вермикулярный (ЧВГ), чугун с шаровидным графитом - высокопрочный (ВЧ) и чугун с хлопьевидным графитом - ковкий чугун (КЧ).