Конструкционных углеродистых сталей и чугунов»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы № 7

по дисциплине

«Металловедение и сварка»

МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СТРУКТУР
КОНСТРУКЦИОННЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ

для студентов строительных специальностей

дневной и заочной формы обучения

Симферополь, 2015г.

Методические указания к выполнению лабораторной работы №7

«Микроскопический анализ структур конструкционных углеродистых сталей и чугунов» по дисциплине «Металловедение и сварка» для студентов строительных специальностей / составил: Корохов В.Г.– Симферополь: 2015г. – с.34.

Одобрено и рекомендовано к печати на заседании учебно-методической комиссии АСФ 2015 года. Протокол № .

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры «Металлические и деревянные конструкции» ноября 2014г., протокол № .

Составитил: В.Г. Корохов, к.т.н., профессор НАПКС

Рецензент: Л.Ф. Бабицкий доктор технических наук, профессор.

Ответственный за выпуск: заведующий кафедрой «Металлические и деревянные конструкции» Морозов А.Д., кандидат технических наук, профессор.

Лабораторная работа №7

«Микроскопический анализ микроструктур

конструкционных углеродистых сталей и чугунов»

1. Цель работы

Изучить методику металлографического анализа и микроструктуры сплавов железа с углеродом – сталей и чугунов, получить сведения о взаимосвязи состава и строения сплавов с их механическими свойствами, а также о рациональном применении этих сплавов в строительстве и других областях техники.

1. Теоретические сведения

Металлические конструкционные материалы широко используются в различных областях техники: строительстве, машиностроении, транспорте, приборостроении. Наиболее широко применяются сплавы на основе железа - это стали и чугуны. Из всего многообразия сплавов черных и цветных металлов доля железоуглеродистых сплавов - сталей и чугунов, применяемых в технике, составляет около 90%.

Сталь – это сплав железа с углеродом, содержащий углерода от сотых долей процента до 2,14%. На практике применяют стали, содержащие менее 1,5% углерода.

Сталь представляет собой сложный сплав, его механические свойства в большой мере зависят от количества содержащегося в нем углерода. Чем выше его содержание, тем больше прочность и твердость стали, но меньше пластичность.

Чугуны отличаются от сталей значительно большим содержанием углерода – от 2,14% до 6,67%. Они обладают меньшей прочностью и повышенной хрупкостью.

Вместе с тем, благодаря хорошим литейным свойствам – жидкотекучести и малой температурной усадке, чугуны применяют для изготовления литьем изделий сложной геометрической формы, которые предназначены для восприятия небольших нагрузок.

Такие свойства металлических конструкционных материалов, как механические, физические, химические предопределяют возможность надежной и длительной эксплуатации изготовляемых из них деталей и конструкций.

При проектировании конструкций и руководстве их изготовлением, очень важно грамотно выбрать требуемый конструкционный материал с нужными свойствами для изготовления из него изделий, способных выдерживать эксплуатационные нагрузки, температуру, химическое воздействие среды при эксплуатации этих изделий. Для этого необходимо знать совокупность свойств различных металлических конструкционных материалов.

Физические, химические, механические и технологические свойства, выпускаемых металлургической промышленностью конструкционных материалов, в значительной мере зависят от химического состава и внутреннего строения, т.е. структуры этих металлических сплавов.

Прочностные расчеты конструкций, их надежность и долговечность базируются на соответствии условиям эксплуатации таких механических свойств металлов, как предел прочности, предел текучести, ударная вязкость, пластичность, упругость. Вместе с тем, часто возникает необходимость принимать во внимание и такие физические свойства, как плотность материалов, температурное расширение, теплопроводность. Важны и технологические свойства: свариваемость, обрабатываемость резанием, штампуемость. Некоторые металлические сплавы, предназначаемые для ответственных конструкций и особых условий эксплуатации, должны обладать комплексом специальных свойств, например, жаропрочностью, жаростойкостью, высокой износостойкостью, коррозионной стойкостью.

Прочностью называется способность металла не разрушаться под действием внешней нагрузки. Это свойство характеризуется пределом прочности – наибольшей удельной нагрузкой, вызывающей разрушение металла. Предел прочности для сталей с различным содержанием углерода колеблется в пределах от 40 кгс/мм² до 150 кгс/мм². Наиболее часто первичной характеристикой стали является предел прочности при растяжении. При проектировании деталей и конструкций, предназначенных для определенных условий эксплуатации, в прочностных расчетах используют также пределы прочности: при изгибе, кручении, сдвиге (срез), предел прочности на смятие поверхностей контактируемых деталей. Все значения указанных характеристик металлов приводятся в справочниках для проектировщиков. Чтобы умело ими пользоваться нужно знать, в чем состоит физический смысл этих свойств.

Предел текучести – это неизменяемое напряжение, при котором образец, деформируясь, получает остаточное удлинение. Для сталей предел текучести находится в пределах от 18 кгс/ мм² до 100 кгс/мм².

Пластичность стали – это способность изменять геометрическую форму под действием внешней нагрузки и сохранять ее после прекращения действия нагрузки. Пластичность характеризуется величиной относительного удлинения образца при его разрыве, для сталей - в пределах от 8% до 35%.

Упругость– это тоже способность металла деформироваться под действием внешней нагрузки, но восстанавливать первоначальную геометрическую форму после прекращения действия нагрузки. Характеризуется пределом упругости, его значения для сталей бывают в пределах от 15 кгс/мм² до 70 кгс/мм².

Твердость – это способность металла противодействовать проникновению в него под действием внешней нагрузки более твердого тела, не получающего остаточных деформаций в поверхностном слое. При испытаниях на твердомерах в металл вдавливают, при определенной нагрузке, специальный наконечник, называемый индентором. Для твердых закаленных сталей – это алмазный конус. Твердость измеряют по системе Роквелла и она может быть в пределах HRC 30 … 65. Мягкие металлы типа алюминия, меди и неоднородные сплавы, такие как серый чугун, испытывают вдавливанием в образец, или в деталь, стального шарика. При использовании шарика диаметром 10 мм значения твердости сплавов по системе Бринелля составляют НВ 90 … 450.

Сплавы

В технике чистые металлы, как правило, не используются т.к. их свойства не полностью соответствуют требуемым, а применяют сплавы металлов с металлами или металлов с неметаллами. Благодаря этому получают металлические конструкционные материалы с измененными - требуемыми свойствами. Компоненты сплавов вступают между собой в различные взаимодействия, образуя сплавы разного типа и, соответственно, с различными свойствами. Особенности и различия взаимодействия компонентов между собой зависят от многих факторов: от строения ядра и атомных размеров компонентов, от вида кристаллических ячеек, от химической активности компонентов и их соотношения в сплаве, а также от температуры плавления. Различают несколько основных разновидностей сплавов, образуемых при различном взаимодействии компонентов. Это такие как, механические смеси, твердые растворы замещения, твердые растворы внедрения и химические соединения.

Рис. 1. Микроструктура механической смеси (схема)

А – один компонент; В – другой компонент

Механические смеси (Рис. 1) представляют собой смесь кристаллов каждого из компонентов, образующихся в процессе охлаждения и кристаллизации жидкого раствора

Компонентами могут быть металлы с металлами, металлы с неметаллами, а так же, и сложные соединения.

Каждый из кристаллов сплава идентичен своему компоненту по внутреннему строению и свойствам. Свойства такого сплава зависят от количественного соотношения компонентов, от размера и формы кристаллов и приближаются к свойствам того компонента, которого больше в этом сплаве. Такими сплавами бывают стали и чугуны.

Твердые растворы замещения (Рис. 2) образуют только металлические компоненты незначительно слабо различающимися ранее перечисленными признаками, характеризующими их строение. В процессе кристаллизации этих сплавов образуется кристаллическая ячейка основного компонента - которого больше, а в некоторых узлах этой ячейки располагаются атомы второго компонента. Например, в ячейках железа - атомы никеля или молибдена.

Рис. 2 Кристаллическая ячейка