Главная / Материаловедение / Микроструктуры чугунов, конструкционных строительных сталей и сварных соединений стальных элементов

Микроструктуры чугунов, конструкционных строительных сталей и сварных соединений стальных элементов

Цель работы — изучение структур чугунов, конструкционных строительных сталей, металла шва и околошовной зоны в сварном стыковом соединении с помощью металлографического микроскопа.

Для изучения микроструктуры изготовлены микрошлифы (образцы), поверхность которых специально подготовлена для микроанализа.

Микрошлифы получены при обработке торца образца сечением 10*10 (20*20) мм. Образцы шлифуют и полируют до зеркального блеска (12–14 класс чистоты по ГОСТ 2789), затем травят в слабом (1–5%-м) спиртовом (этиловом, метиловом, амиловом) растворе азотной кислоты. Вследствие неодинаковой степени окисления структурных составляющих на торце появляется микрорельеф. При рассмотрении микрорельефа в микроскоп в отраженном свете видны темные и светлые участки. Темные принадлежат структуре, протравленной в большей степени.

Определить характер структурных составляющих можно по диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 1).

Характеристика структур:

Цементит (светлые иглы, отдельные включения или сетка по границам зерен) — химическое соединение железа с углеродом (Fe3C), хрупкий, твердость НВ=800;

Феррит (светлые зерна) — твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе (Fe), весьма пластичен (=45%), твердость НВ=70–80, высоко магнитен;

Аустенит (светлые крупные пластины) — твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе (Fe), немагнитен, вязок, средняя твердость НВ=170–220;

Перлит (темные зерна или пластинки) — эвтекдоидная механическая смесь феррита и цементита, твердость НВ=160–220;

Ледебурит (совокупность темных точек) — эвтектическая смесь аустенита и цементита, хрупкий и твердый (НВ⋲700);

Особенности структуры чугунов

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода свыше 2,14%. В зависимости от условий кристаллизации, химического состава и других факторов углерод в чугунах может находиться в связанном (цементит) или свободном (графитном) состоянии.

Чугуны подразделяют на два класса: белые и графитизированные (серые, ковкие, высокопрочные).

В Белых чугунах, вследствие высокой скорости охлаждения, весь графит находится в связанном состоянии в форме цементита (рис. 1). Эти чугуны в зависимости от содержания углерода и структуры классифицируют на доэвтектические (С<4,3%), эвтектические (С=4,3%) и заэвтектические (С>4,3%). Структура доэвтектического чугуна состоит из перлита (крупные темные зерна), вторичного цементита (светлые участки вокруг темных зерен) и ледебурита (светлые участки с мелкими темными зернами перлита) (рис. 2, а), эвтектического — из ледебурита (рис. 2, б), заэвтектического — из первичного цементита (крупные светлые полосы) и ледебурита (рис. 2, в).

А. б. в.

Рис. 2. Структуры белых чугунов

Свое название белые чугуны получили из-за характерного светло-матового цвета в изломе. Белые чугуны обладают высокой твердостью и хрупкостью. Они практически не поддаются обработке резанием и используются для последующего передела в сталь или ковкий чугун.

Серые чугуны (ГОСТ 1412) получают при медленном охлаждении, и углерод в них выделяется в виде свободного графита в форме прожилок, частичек, хлопьев различных размеров. Структура серого чугуна состоит из металлической основы и включений графита (рис. 3). По структуре металлической основы серые чугуны подразделяются на перлитные (СЧ21, СЧ24, СЧ25 и т. д.), ферритоперлитные (СЧ18, СЧ15) и ферритные (СЧ10).

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).

Ковкие чугуны (ГОСТ 1215) получают при длительном отжиге (900–1000 °С) белых чугунов с содержанием углерода 2,2–3,0%. Название "ковкий чугун" условное. Оно не обозначает, что такой чугун можно подвергать ковке, а свидетельствует о некотором повышении пластичности по сравнению с обычными серыми чугунами. По структуре к ферритным чугунам относят марки КЧ37-12, КЧ35-10, к ферритоперлитным — КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ63-2.

Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293) получают модифицированием серых чугунов магнием, церием или иттрием в количестве 0,1…0,2%. Их структуры подобны структурам серых чугунов, графит имеет форму, близкую к форме шара внутри ферритной (ВЧ38-17, ВЧ42-12), ферритоперлитной (ВЧ45-5, ВЧ50-2) и перлитной (ВЧ60-2, ВЧ70-3, ВЧ80-3, ВЧ100-4, ВЧ120-4) металлической основы.

Особенности структуры конструкционных сталей

Конструкционными называют стали, применяемые для изготовления конструкций и сооружений, деталей машин и механизмов. Эти стали могут быть как углеродистыми (содержание углерода до 0,6%), так и легированными (содержание углерода не более 0,22%).

Рис.3. Классификация чугунов по структуре металлической основы и форме графитовых включений

Углеродистые конструкционные стали выпускают обыкновенного качества и качественными. Структура данных сталей (рис. 4) — феррит + перлит. Чем выше условный номер марки, тем больше в стали углерода и перлита, тем выше ее прочность и ниже пластичность.

Низколегированные стали изготовляют с применением легирующих добавок — небольшие количества кремния, марганца, меди, хрома, никеля, азота, ванадия и некоторых других. Легирование приводит к образованию равномерно распределенных мелкодисперсных частиц, в частности карбонитридов, которые тормозят рост аустенитного зерна, что приводит к измельчению зерна и дисперсионному упрочнению структуры (рис. 4,б).

Структура сварного соединения стальных элементов неравномерна вследствие неодинакового нагрева при электродуговой сварке его отдельных участков.

Во время сварки малоуглеродистой стали, металл шва и околошовной зоны нагревается и претерпевает различные изменения; в соответствии с этим различают три зоны соединения (рис. 5). В зоне расплавления металл нагревается выше температуры расплавления (1535 оС). Расплавленный металл изделия и электрода перемешиваются, и после прекращения нагрева начинается первичная кристаллизация металла.

Для зоны расплавленного металла характерна столбчатая структура литого металла. В процессе охлаждения расплавленный металл претерпевает структурные и фазовые изменения и приобретает окончательную вторичную структуру. Качество металла этой зоны улучшают легированием и правильным выбором скорости охлаждения. Легируют марганцем (нейтрализует вредное действие серы и некоторых других примесей), титаном, кремнием и другими компонентами, вводя их в расплавленный металл через электродную проволоку, флюсы и обмазки.

Зоной термического влияния называют прилегающий к шву участок основного металла, нагревавшийся выше температуры (А­с3=723 оС) и ниже температуры расплавления (1535 оС) (участки 1, 2, 3, 4 на рис. 5). Глубина этой зоны при ручной сварке составляет приблизительно 3–6 мм, а при автоматической — 2–4 мм. Структура металла в этой зоне неравномерна. Для малоуглеродистых сталей на участках 1 и 2, подвергавшихся нагреву выше 1000–1100 оС, расположен перегретый металл с сильно выросшим зерном. Металл здесь имеет пониженные механические свойства по сравнению с основным металлом элемента.

На участке 3, подвергавшемся действию температур 900–1100 оС, металл претерпел полную перекристаллизацию, имеет мелкое зерно и повышенные по сравнению с основным металлом механические свойства. На участке 4 (нагрев 720–900 оС) металл испытал лишь частичную перекристаллизацию, и его качество не сильно отличается от качества основного металла.

Для низколегированных строительных сталей температурные интервалы смещаются, но структурные преобразования будут аналогичны.

При ускоренном охлаждении в зоне термического влияния возможно образование закалочных структур, например мартенсита, имеющего сильно пониженные вязкость и пластичность.

Рис. 5. Структурные изменения в зоне металла сварного шва

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с устройством металлографического микроскопа, общий вид и принципиальная схема которого показаны на рис. 6. Определить кратность увеличения микроскопа (V). Она равна произведению кратности увеличений объектива (Fоб) и окуляра (Fок):

.

Рис. 6. Общий вид и принципиальная схема микроскопа МИМ-7

2. Исследовать структуры. На предметный столик микроскопа установить микрошлиф. Рабочую поверхность образца руками не трогать. Отверстие столика должно быть против фронтальной линзы объектива. Включить освещение. Осуществить наводку на резкость изображения сначала с помощью макрометрического винта, затем микрометрического. Шлиф следует посмотреть в нескольких точках, для чего достаточно переместить специальными винтами предметный столик вместе со шлифом в какую-либо сторону.

Картину, наблюдаемую в микроскоп, необходимо оценивать критически, не принимать во внимание дефектов, вызванных несовершенством изготовления шлифа, например, царапин, явившихся результатом некачественной шлифовки или полировки, загрязнения вследствие небрежного обращения со шлифом и т. п. Неметаллические включения — оксиды, сульфиды, графит — очень хрупки, при шлифовании выкрашиваются и оставляют на поверхности шлифа углубления, которые под микроскопом наблюдаются в виде темных точек или линий.

3. Зарисовать структуру в квадрате 30*30 мм карандашом. При этом следует передать наиболее характерные особенности. Фотографической точности не требуется.

4. На изображении отметить структурные составляющие, их особенности, под изображением дать полное название структуры и балл — соотношение между основными структурными составляющими.

5. Отметить различия в строении и предсказать прочностные свойства исследуемых материалов.

Содержание отчета

В отчете по лабораторной работе необходимо представить: схему микроскопа для структурного анализа сплавов; изображения структур чугунов, сталей и сварного стыкового соединения с указанием характера структурных составляющих, формы и порядка расположения зерен; пояснения различий в строении сплавов; прогноз о прочности отдельных видов материалов.

Контрольные вопросы

1. Что называют сталью, чугуном?

2. Какая из конструкционных сталей является малоуглеродистой или легированной, учитывая обозначения в маркировке?

3. Каковы механические характеристики серого, ковкого и высокопрочного чугуна конкретной марки?

4. Какие модификации имеет железо при различных температурах?

5. Какую кристаллическую решетку имеет -, -, -, Железо?

6. Какие структуры имеют малоуглеродистая и низколегированная стали, а так же передельные чугуны с содержанием углерода до 4,3%; 4,3%; свыше 4,3%?

7. Что такое структуры: феррит, перлит, аустенит, цементит, ледебурит?

8. Каковы значения твердости феррита, перлита, аустенита, цементита, ледебурита?

9. Какого вида связи возможны между компонентами в сплавах и приведите пример структуры с такой связью?

10. Как выглядят структурные составляющие под микроскопом?