Микроструктура отожженных чугунов

Микроструктура эвтектического белого чугуна, соответствующего точке С (4.3%С), представляет собой ледебурит, который в отливках растет в виде дендритных колоний

(Рис.5.6а). В поперечном сечении эвтектического дендрита видны округлые сечения его ветвей (Рис.5.6б). Кристаллизация доэвтектического белого чугуна начинается с образования первичных аустенитных дендритов, объемная доля которых растет при увеличении содержания углерода от точки Е к точке С на диаграмме Fe-Fe₃C. Так, на рис.5.6в, соответствующем сплаву с 2.6%С, объемная доля аустенита равна 30%, а в сплаве с 3.5% С (рис.5.6г) доля аустенита составляет 70%. После окончания первичной кристаллизации расплав, остающийся в междендритных пространствах, кристаллизуется в ледебурит (Рис.5.6в,г). После охлаждения ниже линии PSK большая часть аустенита превращается в перлит (Рис.5.6д). Светлые каемки вокруг перлитных колоний представляют собой вторичный цементит, выделяющийся из аустенита при охлаждении в интервале температур Е-S. Этот вторичный цементит структурно сливается с цементитом ледебурита. Кристаллизация заэвтектического белого чугуна начинается с образования пластин первичного цементита, а оставшийся расплав, как и в доэвтектических чугунах, кристаллизуется в ледебурит (Рис.5.6е).

При длительном отжиге белых чугунов ниже линии ECF, цементит, являющийся метастабильной фазой, разлагается на железо и углерод. При температурах отжига выше линии PSK продуктами разложения становятся аустенит и графит, а ниже линии PSK – феррит и графит. Чугун, образующийся после отжига, получил название ковкого чугуна. По структуре он представляет собой матрицу на основе углеродистой стали и хлопьевидные включения графита (Рис.5.7а). Свойствами ковкого чугуна можно управлять путем термической обработки. Если после длительной выдержки при температуре около 1000⁰С произвести охлаждение на воздухе до комнатной температуры, получим ковкий чугун на перлитной основе. Если такое охлаждение остановить при температуре 650⁰С и вновь провести длительную выдержку, цементит перлита будет распадаться и мы в зависимости от времени этой выдержки можем получить чугун на ферритно-перлитной или ферритной основе. Чем больше содержание пер- лита, тем больше твердость чугуна. На рис.5.7а приведена структура ковкого чугуна на ферритной основе. Хорошо видна хлопьевидная форма графитных включений.

Если перед разливкой чугуна из вагранки для получения отливок в шихту добавить ферросилиций, то при содержании около 3.0% Si мы получим не белый чугун, а серый. В нем углерод содержится, в основном, в виде изогнутых графитных пластинок. На рис.5.7б приведена микроструктура серого чугуна на ферритно-перлитной основе. Однако, серый чугун наряду со своими конструктивными и технологическими преимуществами имеет существенный недостаток – низкую прочность при растяжении и изгибе из-за хрупкости пластинок графита. Этот недостаток научились преодолевать дополнительной присадкой в шихту магния или церия. При этом включения графита приобретают сферическую форму и хрупкость чугуна исчезает. Такой чугун может работать на растяжение и изгиб и его называют высокопрочным. На рис.

5.7в приведена структура высокопрочного чугуна на ферритно-перлитной основе.

Практические приемы количественного анализа структуры и свойств материалов

Свойства любого сплава (технологические, механические, коррозионные) определяются его структурой. Структура, в свою очередь, зависит от химического состава сплава, технологии его получения и последующей обработки посредством механических, термических, химических, физических и других (в том числе комбинированных) воздействий. Поэтому имеются большие возможности создавать сплавы с нужными сочетаниями свойств благодаря получению структуры, которая эти свойства обеспечивает. Важную роль при этом играют методы наблюдения и оценки микроструктуры.

Существуют три способа оценки микроструктуры:

1) качественно-описательная;

2) полуколичественная (оценка по баллам в сравнении со схемами структур на стандартных шкалах по ГОСТ 5639);

3) оценка геометрических параметров микроструктур методами количественной металлографии. При количественной оценке можно определить следующие структурные характеристики: величину зерна, линейные размеры элементов структуры, величину удельной протяженности границ, удельный объем фаз (элементов структуры, неметаллических включений).

Первые два способа оценки являются оценочными, имеют субъективный характер и зависят от квалификации исполнителя. Поэтому, необходимо тщательно соблюдать требования соответствующих процедур, методик и стандартов. Для установления достоверных значений любого из параметров требуется проведение измерений или подсчета сотен, а иногда и тысяч элементов структуры. Этим вопросам посвящены методы количественной металлографии, которые будут рассмотрены в методических пособиях к работе № 6.

Существуют достаточно простые методики количественной оценки структуры и свойств сталей и сплавов.

Правила Курнакова. Твердость отожженного феррита – 90-100HV, цементита – 900 HV. Пользуясь правилом Курнакова для смесей можно по химическому составу рассчитать твердость эвтектоида – перлита,а также твердость любого сплава на диаграмме Fe-Fe₃C. Прочность доэвтектоидных сталей растет при увеличении доли перлита в микроструктуре. Их свойства в зависимости от содержания перлита можно легко рассчитать.

Оценка размера зерна методом секущих.Метод секущих – один из самых простых и распространенных способов оценки величины зерна с сталях. В ГОСТ 5639 он описан в разделе 3.5 «Метод подсчета пересечений границ зерен». Метод состоит в подсчете количества зерен, пересеченных отрезком прямой и определении среднего условного диаметра. Наиболее удобно проводить подсчет на фотографиях микроструктуры. Проводят не менее трех отрезков в произвольном направлении, пересекающих границы фотографии. Считают количество пересечений отрезком границ зерен и краев изображения. Длины отрезков выбирают таким образом, чтобы на них помещалось не менее 10 зерен. Средний условный диаметр зерна d_L^* на фотографии определяют по формуле:

d_L^* = L/N,

где L – суммарная длина отрезков, N – общее число зерен, пересеченное отрезками. Реальный средний условный размер зерна d_L получаем после деления d_L^* на увеличение фотографии микроструктуры. Метод годится только для равноосных зерен. Способы подсчета для более сложных случаев также приведены в ГОСТ 5639.

При входном или текущем контроле металлопродукции, когда определение размера зерна заложено в нормативно-технической документации на изделие, пользуются оценкой его размера в баллах. Измерения проводят непосредственно в микроскопе при увеличении х100. По ГОСТ 5639 выбирают круглое поле зрения и сравнивают изображение с эталонными шкалами, приведенными в приложении № 2 к ГОСТ. Малые цифры баллов соответствуют крупному зерну, большие – мелкому. В соответствии c европейским стандартом ISO методика аналогична, но используют квадратное поле зрения. На рис. 5.8 приведена схема сравнения c баллами по ISO с использованием компьютера.

Перевод среднего условного диаметра зерна d_L, измеренного в мм, в баллы можно осуществить, пользуясь таблицей 1 из ГОСТ 5639 (рис.5.9). Зная размер зерна стали можно оценить механические свойства стали. Так, для малоуглеродистых сталей существует зависимость между размером зерна феррита и пределом текучести (Рис.5.10).

Фраза «Средний условный размер зерна» - это терминологическое понятие, связанное с тем, что зерно – это объемный объект. Есть разные способы определения размеров таких объектов, которыми оперирует раздел математики – стереология. Понятие «Средний условный размер зерна» связано со способом измерения и для нас не имеет существенного значения. Действительный размер зерна в сталях, т.е. тот, который в данном образце материала наблюдается при комнатной температуре, можно оценить после обычного травления микрошлифов. Однако, наиболее часто требуется определение величины зерна не существующего в стали в настоящий момент, а предшествующего зерна аустенита перед закалкой или нормализацией,

при нагреве под ОМД или термообработку, цементацию и т.п. В таких случаях требуются специальные методы выявления границ и таких зерен. К ним относятся методы: цементации, окисления, сетки феррита или цементита, вакуумного термического травления. Особенности методов и возможности их применения также приведены в ГОСТ 5639.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с методами микроструктурного анализа, принципами формирования изображений травленой поверхности микрошлифов в световом микроскопе.

2. Изучить и освоить технику травления микрошлифов.

3. Просмотреть предложенную коллекцию травленых микрошлифов углеродистых сталей и чугунов под микроскопом при разных увеличениях. Письменно охарактеризовать микроструктуру. Попытаться оценить балл зерна малоуглеродистых сталей с различной величиной зерна и метод его оценки по ГОСТ 5639.

4. Измерить величину зерна по предложенным фотографиям микроструктур углеродистых сталей методом секущих и рассчитать предел текучести по приложенной номограмме (Рис.5.11). Оценить балл зерна, пользуясь таблицей (Рис.5.9).

5. Составить отчет по работе.

Содержание отчета

При составлении отчета необходимо четко указать задачи микроструктурного анализа, изложить методику приготовления и травления микрошлифов, описать устройство и принцип действия оптического микроскопа, сфотографировать изображение микроструктур проанализированных микрошлифов и описать структуру. Описать методику оценки балла зерна по ГОСТ 5639. Привести данные по проведенному определению балла зерна. Привести данные по определению величины зерна методом секущих и расчету предела текучести.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается анализ микроструктуры?

2. Расскажите, что определяют микроструктурным анализом.

3. Какие этапы включает анализ микроструктуры?

4. С помощью каких приборов осуществляют микроструктурное исследование?

5. Какие возможности предоставляет микроструктурный анализ.

6. Что такое «качественное исследование структуры»?

7. Что входит в понятие «количественная оценка структурных составляющих»?

8. Какое увеличение дают оптические световые микроскопы?

9. Объясните, что такое микрошлиф.

10. Какие операции входят в понятие «приготовление микрошлифов»?

11. Что можно видеть под микроскопом на полированном микрошлифе?

12. Что можно обнаружить на поверхности микрошлифа после травления?

13. От чего зависит состав реактива для травления?

14. Почему в результате травления возникает микрорельеф?

15. В чем заключается принцип электролитического травления?

16. Как меняется микроструктура углеродистых сталей при увеличении

количества углерода?

17. Чем отличается микроструктура доэвтектических и заэвтектических белых чугунов?

18. Почему отожженный белый чугун тверже, чем сталь?

19. Чем отличается белый чугун от серого?

20. Почему высокопрочный чугун так называется?

21. Что тверже белый чугун или высокопрочный; почему?

22. Кака получить серый чугун на ферритной или ферритно-перлитной основе?

23. В чем заключается оценка балла зерна по ГОСТ 5639?

24. Что такое метод секущих и для каких целей его можно использовать?

25. Можно ли применять метод секущих для оценки размера зерна двухфазных сталей?

26. В чем разница между первичными зернами в металлах и сплавах, предшествующими

и действительными?

27. С какой целью определяют размер зерна в сталях?

28. Какое зерно крупнее: балл 5 или балл 10?

Список использованной литературы

1.ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. М.

Изд. стандартов. 1992. 21с.

2. Е-112-12. ASTM International. Стандартные мля определения размера зерна. 2013. 49с.

3. Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные

работы и задачи. М. Металлургия. 1989. 456с.

4. Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей.

Справочник под. ред. В.Д. Кальнера. М. Машиностроение. 1984. 384с.

5. А.И. Самохоцкий, М.Н. Кунявский. Лабораторные работы по металловедению и

термической обработке металлов. М. Машиностроение. 1981. 174с.

6. Р.Н. Худокормова, Ф.И. Пантелеенко. Материаловедение. Лабораторный практикум.

Минск. Выш. шк. 1988. 224с.

7. Б.Г. Гринберг, Т.М. Иващенко. Металловедение и термическая обработка. Руководство

к лабораторным занятиям. М. Росвузиздат. 1963.180с.

8. А.П. Гуляев. Металловедение. М. Металлургия. 1986. 544с.

Лабораторная работа № 6.