Ковкий чавун (ГОСТ 1215-85)

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з методами дослідження металів і сплавів.

2. Ознайомитися з методикою проведення макроаналізу.

3. Вивчити будову і налагодження металографічного мікроскопу МИМ-7 і навчитися ним користуватися.

4. Ознайомитися з методикою приготування мікрошліфів та методикою їх дослідження.

5. Вивчити, зарисувати й описати макро- і мікроструктури зразків.

6. Оформити результати роботи і скласти протокол.

1.3 Загальні відомості

Всі методи дослідження, які застосовуються в металознавстві, поділяються на дві групи. До першої групи відносяться прямі методи дослідження, за допомогою яких вивчають структуру металів та сплавів. Деякі непрямі методи (термічний, дилатометричний і ін.) дозволяють встановити зв'язок між структурою та властивостями матеріалів.

Друга група методів дає можливість безпосередньо виявити хімічний склад матеріалу та його механічні, фізичні, магнітні або технологічні властивості. Всебічну і достатню інформацію стосовно структури та властивостей матеріалу можна отримати при використанні тільки всього комплексу методів.

Дилатометричний метод

В основі цього методу – зміна об'єму матеріалу при нагріванні чи охолодженні. При ізотропному розширенні зразка фіксується його довжина. Використовують метод для визначення коефіцієнтів лінійного термічного розширення металів та сплавів для різних температурних інтервалів, вивчення температур фазових перетворень у твердому стані.

1.3.2 Термічний метод

Термічний метод застосовують для визначення температур фазових перетворень в металах та побудови діаграм стану сплавів. На рис. 1.1 показано устаткування для проведення термічного аналізу. Термопара – це спаяні разом дроти двох різних металів або сплавів. Якщо нагріти спай термопари, то виникає термоелектрорушійна сила (ТЕРС), під дією якої струм відхиляє стрілку гальванометра. Від різниці між температурою гарячого та холодних кінців термопари залежить ТЕРС, абсолютне значення якої дозволяє визначити температуру сплаву. Сплав нагрівають до рідкого стану, а потім повільно охолоджують та фіксують температуру через кожні 20...30 с. Використовуючи ці дані, будують криві охолодження (або нагрівання) в координатах “температура-час”.

Рисунок 1.1 – Схема установки для термічного аналізу:

1 – електропіч; 2 – тигель із металом; 3 – термопара; 4 – гальванометр

Фазові перетворення – плавлення (або кристалізація), зміна кристалічної гратки, розчинення (або кристалізація) надлишкових фаз супроводжуються виділенням чи поглинанням тепла. Внаслідок цього на кривих охолодження спостерігаються температурні зупинки, коли перетворення відбувається при постійній температурі, або перегини, якщо перетворення здійснюється в інтервалі температур (рис. 1.2). Наприклад, на кривих охолодження умовний чистий метал А кристалізується при температурі t_А, а сплав І (38 % В + 62 % А) – в інтервалі температур t₃...t₁, сплав II – в інтервалі t₄...t₂. Ці температурні точки називають критичними.

Критичні точки використовують для побудови діаграми стану сплавів у координатах “температура – хімічний склад сплавів”. Діаграма стану – це графічні зони стійкого існування фаз в залежності від хімічного складу сплавів та температури. Для побудови діаграми визначають критичні точки для цілого ряду сплавів, наносять їх на діаграму і з'єднують плавними лініями (рис. 1.2, б). Лінії відокремлюють зони із різними фазами, точки ліній характеризують хімічний склад фаз, що знаходяться в рівновазі; температури початку та кінця фазових перетворень. Знання діаграми необхідне для вибору режимів термічної обробки та температур технологічних процесів.

Рисунок 1.2 – Побудова діаграми стану за допомогою

кривих охолодження:

а – криві охолодження; б – діаграма стану умовних металів А та В

1.3.3 Метод електронної мікроскопії

Метод електронної мікроскопії дозволяє вивчати тонку структуру металів та сплавів при збільшеннях до 500 тис. разів і більше та одержувати більш повні знання про механізми фазових перетворень, пластичної деформації та руйнування металів, вивчати дефекти кристалічної будови. В електронному мікроскопі використовують електронні промені та систему електромагнітних лінз. Мікроскоп складається із герметичної колони, в якій досягається високий вакуум (до 1,3×10^-3МПа) і розташована електронна оптика, та блоків живлення. На рис. 1.3 показана схема електронного мікроскопа для просвічування. Випромінювач електронів складається з катода 1, фокусуючого електрода 2 та анода 3. Конденсорна лінза 4 фокусує електронні промені на об'єкті 5. Об'єктивна лінза 6 дає збільшене проміжне зображення в площині селекторної діафрагми 7. Проміжна лінза 8 передає центральну ділянку зображення на предметну площину проекційної лінзи 9, яка кінцеве зображення формує на екрані або фотопластинці 10. Об'єктивна та проекційна лінзи збільшують приблизно у сто разів кожна.

Рисунок 1.3 – Схема електронного мікроскопа

Загальне збільшення мікроскопа (приблизно до 10⁶ разів) визначається фокусною відстанню електромагнітних лінз і регулюється величиною струму в їх обмотках. Прискорююча напруга до 100 кВ, розрізнювальна здатність (найменша частинка, деталі якої можна роздивитись – 0,2 нм, товщина фольги для просвічування не більш, ніж 10^{-7 м, (0,1...1 мкм).Таку фольгу виготовляють з більш товстої пластини при електролітичному травленні в спеціальних розчинах. При проходженні електронів через фольгу контраст зображення виникає внаслідок розсіяння електронів на атомах, що зміщені із нормального положення в області дефекту (границі зерен, дислокації та інші дефекти кристалічної будови).}

Непрямим методом за допомогою реплік можна вивчати поверхню масивних зразків. Репліка – це плівка (лакова, вугільна, оксидна тощо), яку наносять на поверхню зразка а потім відділяють від зразка і досліджують. Репліка передає рельєф поверхні, в ній знаходяться частинки надлишкових фаз, склад яких можна визначити.

В останні роки широке розповсюдження знайшли більш складні растрові електронні мікроскопи, що дозволяють безпосередньо вивчати рельєф поверхні та структуру зразка без виготовлення реплік або фольг. Цей метод широко використовується при дослідженні зламів.

1.3.4 Рентгенографічні методи дослідження

В залежності від характеру використання рентгенівських променів всі методи розподіляють на рентгеноструктурний, рентгеноспектральний аналізи та рентгенівську дефектоскопію.

Рентгеноструктурний аналіз заснований на дифракції, яка виникає при розсіянні променів атомами гратки. Розшифровують дифракційні картини за допомогою рівняння Вульфа-Брега: 2d_hklsinq = nl. Дифракційні максимуми спостерігаються тоді, коли промені довжиною l, віддзеркалені від паралельних площин з відстанню між ними d_nkl під кутом q мають різницю ходу, що дорівнює цілій кількості довжин хвиль (довжина хвилі залежить від матеріалу анода рентгенівської трубки). Вимірюючи на рентгенограмах кути віддзеркалення q, визначають характеристику кристалічної гратки (dnkl).

Дифракційна картина від монокристала характеризується закономірно розташованими точковими рефлексами. Їх число, форма та інтенсивність дають можливість визначити орієнтацію монокристала, тип та розмір кристалічної гратки (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 – Дифракційна картина від полікристала

та схеми рентгенограм від ОЦК і ГЦК ґраток

Рентгеноспектральний аналіз дозволяє визначити хімічний склад матеріалу і базується на властивості кожного елемента випромінювати характерні рентгенівські промені, коли зразок опромінюють електронами достатньої енергії. Інтенсивність променів залежить від кількості цього елемента. Використовуючи еталони, можна проводити і кількісний аналіз.

Сучасні мікроаналізатори дозволяють аналізувати у мікрооб'ємах (приблизно 3 мкм³) практично всі елементи; чутливість визначення становить 0,1 · 10^-6% в залежності від порядкового номера елемента та розміру електронного зонда. Ділянка для вивчення обирається за допомогою мікроскопа, вісь якого збігається із точкою падіння електронного зонда на зразок. При переміщенні зонда можна записати зміну інтенсивності, яка відповідає концентрації елемента уздовж цього напрямку.

Рентгенівська дефектоскопія ґрунтується на різній здатності рентгенівських променів поглинатися при проходженні через матеріали різної товщини та щільності. Метод має високу чутливість та універсальність, застосовується для контролю якості виробів і дозволяє виявити раковини, шпарини, не провари сталевих швів, тріщини, вкраплення, тощо. Схему просвічування показано на рис. 1.5. Дефекти на плівці виявляються у вигляді більш темних або світлих плям порівняно із фоном.

Рисунок 1.5 – Схема просвічування деталей

Щільне вкраплення поглинає промені, тому на рентгенограмі у відповідному місці буде світла пляма на загальному фоні. Там, де розташована раковина, виявиться затемнення, тому що інтенсивність променів, що пройшли через деталь, більша.

1.3.5 Макроскопічний аналіз

Макроаналіз полягає в дослідженні будови металів та сплавів неозброєним оком або при незначному збільшенні до 30 разів. Це дозволяє вивчати великі перетини металів, робити висновки про їх будову та наявність певних дефектів, а також вибирати ділянки для подальших досліджень. Будова металів та сплавів, яка визначена таким чином, називається макроструктурою.

За допомогою макроаналізу можна визначити:

– порушення суцільності металу (усадкова несуцільність, центральна пористість, підкоркові пухирі, свищі);

– будову литого та деформованого металів;

– хімічну неоднорідність (ліквацію);

– вид зламу;

– структуру металу після зварювання, деяких видів термічної та хіміко-термічної обробки.

Для дослідження макроструктури металів використовують метод шліфів та метод зламів. При цьому вигляд зламу визначають безпосередньо спостереженням, тоді як інші особливості макроструктури – на макрошліфах.

Макроаналіз литого металу. Травлення макрошліфа проводять у 15 % водному розчині персульфату амонію при температурі 80-90 °С протягом 5-10 хвилин. Для литого металу характерні велика неоднорідність зерен за формою та розміром, наявність несуцільностей, неоднорідність за хімічним складом. Наявність цих особливостей будови литого металу, які знижують його властивості і є недоліками, що зумовлено процесом кристалізації.

Макроаналіз сталевого зливка показав, що в його структурі можна виділити три зони:

– дрібних дезорієнтованих кристалів;

– орієнтованих стовпчастих кристалів;

– великих дезорієнтованих рівноважних кристалів.

Неоднорідність будови литого металу зумовлена змінами умов кристалізації протягом часу кристалізації. Відомо, що процес кристалізації можливий при певному переохолодженні рідкого металу, яке характеризується ступенем переохолодження DТ і який, у свою чергу, дорівнює різниці температур кристалізації теоретичної Т_S та фактичної Ткр.

Процес кристалізації складається з двох стадій – утворення центрів кристалізації твердої фази (зародки твердої фази) та росту кристалів твердої фази.

Довільне виникнення центрів кристалізації твердої фази називають гомогенним. При цьому збільшення до певного ступеня переохолодження спричиняє виникнення більшого числа центрів кристалізації (ц.к.) та підвищення швидкості їх росту (ш.р.), що зумовлює зменшення розміру зерен (рис. 1.6).

При кристалізації зливка найбільший ступінь переохолодження спостерігається безпосередньо на межі між рідким металом та холодними стінками виливниці (форма, у яку заливають метал).

У процесі кристалізації ступінь переохолодження на межі поділу рідина-тверда фаза зменшується за рахунок прогріву стінок виливниці та утворення зони твердого металу. Це призводить до зменшення кількості зародків твердої фази та швидкості їх росту. Направлений тепловідвід стимулює формування зони стовпчастих кристалів, які ростуть перпендикулярно до стінок виливниці. В центральній частині зливка направлене відведення теплоти відсутнє, що сприяє утворенню неорієнтованих кристалів. Вони досить великі, оскільки ступінь переохолодження в цій зоні незначний.

На процес кристалізації впливають також домішки, які знаходяться в рідкому металі у зваженому стані. Якщо частинки домішок мають однакову (або близьку) кристалічну решітку з решіткою металу, що затвердіває, то вони можуть бути готовими центрами кристалізації.

В цьому випадку спостерігається зменшення розміру критичних зародків, а кристалізація рідини починається при менших переохолодженнях. Таке утворення зародків твердої фази називається гетерогенним. Використання таких домішок (вони мають назву модифікатори) підвищує якість металу, а операція їх введення у рідкий метал отримала назву модифікування.

Недоліком литого металу також є його несуцільність. Утворення несуцільностей зумовлено тим, що метал у твердому стані займає менший об'єм, ніж у рідкому. Усадка розподіляється або у вигляді раковини, яка зосереджується в верхній частині зливка, або у вигляді дрібних раковин, що розподіляються по всьому зливку. Розміри та форма усадкових раковин залежать від маси металу, форми виливниці, швидкості кристалізації тощо.

Рисунок 1.6 – Залежність кількості центрів кристалізації (ц.к.)

та швидкості росту кристалів твердої фази (ш.р.)

від ступеняпереохолодження DT

Поміж усіх несуцільностей найбільший вплив на структуру та властивості металів має раковина у верхній частині зливка, поверхня якої вкрита шаром оксидів, до того ж у цій частині зливка сконцентрована найбільша кількість шкідливих домішок. Цю частину зливка відрізають.

До недоліків зливка відноситься його хімічна неоднорідність – ліквація. Розрізняють два види ліквації: макроскопічну, яку можна виявити неозброєним оком, та мікроскопічну, яку виявляють за допомогою спеціальних методів аналізу (металографічного, мікрорентгено-спектрального та ін.).

До макроскопічної ліквації відносять нормальну зональну, зворотну зональну та ліквацію за густиною. Для нормальної зональної ліквації характерна неоднорідність зливка за зонами. Найбільше вона проявляється у центральній частині зливка. При зворотній зональній ліквації ділянки з підвищеною концентрацією домішок розташовані на зовнішній поверхні. Ліквація за густиною обумовлена різною питомою вагою твердих фаз та рідкої фази.

До мікроскопічної ліквації відносять дендритну та внутрішньо-кристалічну ліквації. Перші ділянки дендрита насичені тугоплавкими компонентами, а багаті на легкоплавкі домішки залишки рідини тверднуть останніми і таким чином, нашаровуються на дендрит.

Ліквації спричинюють утворення різних дефектів у литих металах та сплавах, утруднюють їх обробку та знижують властивості.

Макроаналіз деформованого металу. Макроструктура деформованого металу утворюється при пластичній деформації в гарячому чи холодному станах. Внаслідок прокатки, кування, штампування чи волочіння несуцільності, які були у металі, усуваються. Дендрити і зерна деформуються та витягуються у напрямку обробки; витягуються також неметалеві включення. Внаслідок цього формується типова для прокатаного металу смугаста (волокниста) структура. Волокниста будова металу обумовлює анізотропію його властивостей (різниця властивостей вздовж та поперек волокон). Пластичність, міцність та в'язкість зразків, вирізаних вздовж волокон, вищі, ніж зразків, вирізаних поперек. Відповідальні вироби, що працюють при значних динамічних навантаженнях (колінчасті вали, шестерні, шатуни, гаки), виробляють таким чином, щоб волокна у виробах не перерізались, а відповідали конфігурації виробу.

Макроструктура після термічної та хіміко-термічної обробки. Структури такого типу неоднорідні. Внаслідок гартування, цементації, азотування, а також інших видів хіміко-термічної обробки будова поверхні порівняно з будовою основи суттєво змінюється. По макрошліфу чи вигляду зламу можна зробити висновок про наявність змін будови поверхневого шару металу. Виявлена таким чином неоднорідність і є ознакою правильності обробки, що відбулась.

Макроструктура зварного шву. Зварний шов травлять 5 % розчином азотної кислоти в етиловому спирті протягом 2...5 секунд. Під час травлення з поверхні зразка періодично видаляють оксиди, що виникають під час процесу. Травлений таким чином зразок промивають у проточній воді, сушать, промивають спиртом та вивчають візуально або за допомогою лупи чи мікроскопа. У макроструктурі зварного шва виділяють дві зони – наплавленого та основного металів. Для будови наплавленого металу характерна наявність стовпчастих кристалів, розмір яких, на відміну від розміру кристалів литого металу, досить дрібний. Ця різниця зумовлена великою швидкістю кристалізації наплавленого металу зварного шва.

Макроскопічним аналізом можна виявити також зону термічного впливу, непровар, тріщини, шлакові домішки.

Метод шліфів. На практиці широко використовують метод аналізу макрошліфів. Макрошліф – це зразок з плоскою відшліфованою та (якщо це необхідно) протравленою поверхнею, який вирізають з досліджуваної сталі. Макрошліф роблять таким чином. На металорізальному верстаті або іншим способом вирізають зразки. Одну площину шліфують вручну або на шліфувальному верстаті. Шліфувальним папером однієї зернистості шліфують у одному напрямі. Після переходу на більш тонкий шліфувальний матеріал напрям обробки змінюють під кутом 90°. Після цього зразки промивають водою та просушують.

Для визначення дефектів шліф знежирюють та травлять. Реактив більш активно взаємодіє з тими ділянками, де є наявні дефекти та неметалеві включення. Поверхня виходить рельєфною.

Розрізняють глибоке та поверхневе травлення. За допомогою глибокого травлення визначають макроструктуру зливків, прокату, а також пори, раковини, ліквацію тощо.

Поверхневе травлення, яке проводять з використанням менш агресивних реактивів, дозволяє виявити ліквацію, досить велику пористість у зварних швах, а також інші несуцільності, що з'являються на поверхні.

Метод зламів. Метод зламів полягає у вивченні поверхні, яка виникає при руйнуванні металевих зразків. За допомогою цього методу можна виявити форму та розмір зерен, різновид зламу, характер руйнування. Розрізняють такі види зламів: в’язкий та крихкий. В'язкий злам утворюється витягнутими, загостреними при розриві зернами, що засвідчує значний ступінь пластичної деформації перед руйнуванням. Форму та розміри зерен металу за виглядом в'язкого зламу виявити неможливо.

Для крихкого зламу характерна присутність на поверхні блискучих ділянок (фасеток). Руйнування у цьому випадку проходить без помітної пластичної деформації. Форма та розмір зерен не змінюються, що дозволяє робити висновок щодо їх початкових розмірів. Крихкий злам ділять на міжкристалічний та транскристалічний. При міжкристалічному зламі руйнування проходить по межах зерен металу, що зумовлено присутністю неметалевих сполук – сульфідів, карбідів, нітридів тощо, а при транскристалічному зламі – крізь зерно по площинах ковзання кристалічної решітки. Крихкий варіант руйнування найбільш небезпечний, оскільки проходить найчастіше при напрузі, меншій за межу текучості матеріалу.

Вигляд зламу залежить також від умов випробування – температури, швидкості навантаження, характеру напруженого стану тощо.

Відомі такі основні види крихких зламів:

Нафталіновий злам – транскристалічний з великим зерном та вибірковим блиском. Такий злам характеризує високу крихкість металу і є характерним для легованих інструментальних сталей. Головна причина такого явища – перегрів при термічній обробці, що спричинює збільшення текстури (переважної орієнтації зерен у певному напрямку).

Крихкий злам називається каменевидним, якщо руйнування проходить по межах великих зерен. Причиною такого руйнування є домішки, які при перегріві металу концентруються на межі зерен або у пограничних зонах.

Для правильно обробленої сталі буде характерним парцеляноподібний злам дрібнозернистий з матовим відтінком.

Частіше злами бувають змішаними, у макроструктурі яких спостерігаються ділянки в'язкого та крихкого зламів.

При втомі металу руйнування спостерігається після довгого впливу циклічних навантажень. Злам у цьому випадку складається з трьох зон: зони зародження тріщини, зони розповсюдження тріщини при циклічних навантаженнях – зона втоми і зони долому. Перша зона рівна, для другої характерні концентричні борозди чи дуги і ділянки парцеляноподібного зламу. Зона долому може бути в'язкою чи крихкою.

Виявлення сірки в металі. Сірка в сталі перебуває у вигляді сульфідів FeS, MnS і є шкідливою домішкою, що викликає червоноламкість. Сульфід заліза утворює з залізом евтектику з температурою плавлення 988 °С. При нагріванні сталі до температур прокатки чи кування (1200...1250 °С) евтектика плавиться по границях зерен і сталь при деформації руйнується.

Ліквацію сірки в сталях та чавунах можна визначити методом Баумана. До поверхні шліфа прикладають аркуш фотопаперу, попередньо змоченого у 5 % водному розчині сірчаної кислоти. Під час витримки зміщувати папір по поверхні шліфа не можна.

На поверхні шліфа в місцях з підвищеною концентрацією сірки проходитиме реакція між сульфідами та сірчаною кислотою:

FeS+H₂SO₄ = FeSO₄ +H₂S

MnS+H₂SO₄= MnSO₄+H₂S.

Сірчаний водень у місцях свого виділення реагує з бромистим сріблом, що входить до складу фотоемульсійного шару фотопаперу:

H₂S+2AgBr = Ag₂S+2HBr.

Сірчане срібло має темний колір. Темні ділянки на фотопапері, що виникають після проведення експерименту, показують характер розподілу сульфідів у сталі.

Знятий з макрошліфа фотопапір промивають у воді, фіксують у розчині гіпосульфіту (20-30 хвилин) та просушують. Перевагою методу є те, що він дозволяє визначити розподіл сірки в сталі на відміну від хімічного аналізу, який показує тільки її вміст.

1.3.6 Мікроскопічний метод

Мікроскопічний метод дослідження застосовують для вивчення мікроструктури за допомогою світлового мікроскопу при збільшеннях 50...1500 разів. При використанні мікроскопічного аналізу виявляють форму та розмір зерен, зміни в структурі після гарячої та холодної деформації, термічної та хіміко-термічної обробок; мікродефекти металу: тріщини, шпарини, раковини; неметалеві вкраплення: сульфіди, оксиди, нітриди, алюмінати, силікати, графіт (у чавунах) тощо. Частіше проводять якісний аналіз, а при необхідності за допомогою спеціальних методик – кількісний.

Поверхня зразка (мікрошліфа) має бути дзеркальною для достатньо інтенсивного відзеркалення променів. Для цього після операції шліфування проводять полірування мікрошліфа на замші, фетрі чи тонкому сукні, що змочені водною суспензією дрібних частинок оксидів алюмінію, хрому, заліза. Інколи застосовують електролітичне полірування. У всіх випадках після полірування шліф промивають водою, протирають спиртом та висушують.

Перегляд нетравлених шліфів дозволяє виявити неметалеві вкраплення та мікродефекти. Структури металу при цьому не видно. Неметалеві вкраплення мають інший, ніж у металевої матриці, коефіцієнт відзеркалення, тому на світлому фоні вони виділяються темними ділянками (сірого, чорного, жовтуватого кольору) різної форми. За кольором та формою частинок визначають природу неметалевого вкраплення, а за їх кількістю оцінюють ступінь забрудненості металу чи сплаву.

Для виявлення структури поверхню мікрошліфа травлять в розчинах кислот, лугів, солей в залежності від хімічного складу сплаву. Так, наприклад, для сталей і чавунів застосовують травлення 2...5 % розчином азотної кислоти в етиловому спирті протягом 2...5 секунд. Ступінь травлення меж зерен та структурних складових різна, тому на поверхні утворюється мікрорельєф у вигляді западин та виступів (рис. 1.7). Западини на межах зерен значно сильніше розсіюють промені, тому межі виглядають як темні лінії (див. рис. 1.7, а). У структурі перліту, що складається з двох фаз (фериту і цементиту), ферит розчиняється швидше цементиту. Цементит виступає та відбиває більше променів і в полі зору буде світлою складовою; друга фаза (ферит), навпаки, через більше розсіювання променів буде виглядати темною. В результаті структура перліту має вигляд темних та світлих смуг (див. рис. 1.7, б).

Рисунок 1.7 – Схема утворення контрасту

при мікроскопічних дослідженнях та структура фериту:

а – феритно-перлітна ділянка; б-перлітна ділянка.

Важливою характеристикою мікроскопа є його розрізнювальна здатність (r = 1/d), яка визначається величиною, оберненою найменшій відстані d, на якій можливо розрізнити два сусідні елементи структури. Чим менше d, тим вище розрізнювальна здатність і, відповідно, більше корисне збільшення мікроскопа М:

де Д – найменша відстань, що розрізняється людським оком (0,1...0,2 мм).

У оптичного мікроскопа при використанні білого світла (l = 0,4...0,8 мкм) d становить 0,2 мкм, і тому межа корисного збільшення дорівнює приблизно 1500 разів. Подальше збільшення лише укрупнює елемент структури, але не дозволяє виявляти при цьому нові деталі.

Робоче збільшення мікроскопа V залежить від об’єктива та окуляра і дорівнює добутку їх збільшень:

де Vок, Vоб – збільшення окуляра та об'єктива відповідно;

L – оптична довжина тубуса мікроскопа;

250 – відстань найкращого зору, мм;

F_ОК, F_ОБ – фокусна відстань окуляра та об'єктива, відповідно.

На практиці робоче збільшення встановлюється комбінацією змінних окулярів та об'єктивів у відповідності з таблицею, що додається до мікроскопа.

Як видно з табл. 1.1, збільшення складає від 60 до 1440 разів при візуальному спостереженні і від 70 до 1350 разів – при фотографуванні.

Оптичний мікроскоп пристосовано для спостереження та фотографування структури. Основні системи мікроскопа: освітлювальна (джерело світла, конденсор, світлофільтри, діафрагми); оптична (об'єктив, окуляр, дзеркала, лінзи, призми) (рис. 1.8); механічна (штатив, тубус, макро- та мікро гвинти тощо).

Таблиця 1.1 – Збільшення мікроскопа МИМ-7

Об’єктиви	Окуляри
при візуальному спостереженні	при фотографуванні
7^x	10^x	15^x	20^x	7^x	10^x	15^x
F=23,17; A=0,17
F=13,89; A=0,3
F=8,16; A=0,37
F=6,16; A=0,65
F=2,77; A=1,25

Для роботи на мікроскопі необхідно:

– вибрати збільшення та встановити відповідні об'єктив та окуляр;

– встановити предметний столик так, щоб об'єктив знаходився в центрі отвору кільця;

– розмістити досліджуваний шліф на столик полірованою поверхнею донизу;

– при спостереженні в окуляр 16 та обертанні макрогвинта провести грубе наведення на фокус та закріпити столик гвинтом. Точне фокусування здійснити обертанням в тому чи іншому напрямку мікрогвинтом;

– дослідити структуру в різних ділянках шліфа, для чого перемістити предметний столик за допомогою гвинтів.

Рисунок 1.8 – Оптична схема мікроскопу

1 – електрична лампа; 2 – світлофільтр; 3 – дзеркало; 4 – лінза; 5 – апертурна діафрагма; 6 – лінза; 7 – поляризатор; 8 – фотозатвор; 9 – польова діафрагма; 10 – пентапризма; 11 – лінза; 12 – предметний столик; 13 – об’єктив; 14 – віддзеркалювальна пластина; 15 – заслінка (при роботі у темному полі); 16 – окуляр; 17 – лінза; 18 – дзеркало; 19 – матове скло; 20 – фотоокуляр; 21 – дзеркало

1.4 Зміст протоколу

1. Назва роботи.

2. Мета роботи.

3. Описати методику виготовлення макро- і мікрошліфів.

4. Накреслити оптичну схему, описати будову і налагодження мікроскопа МИМ-7.

5. Зарисувати та описати макроструктури двох зливків металу. Описати відмінності у їх будові та зазначити причини цього.

6. Зарисувати макроструктури зразків після пластичної деформації. Пояснити рисунки, зазначити технологію виготовлення виробів.

7. Дослідити та зарисувати макроструктуру зварного шва (визначити присутність дефектів, описати макроструктуру).

8. Висновки по виконаній роботі.

1.5 Питання для самоперевірки

1. Сутність та призначення термічного, дилатометричного, електроннооптичного та рентгенівських методів дослідження.

2. Будова дилатометра, електронного мікроскопа.

3. Як за допомогою термічного метода побудувати діаграму стану?

4. Приготування реплік та фольг для електронномікроскопічного аналізу.

5. Особливості рентгеноструктурного та рентгеноспектрального методів дослідження.

6. Сутність методу неруйнівного контролю якості деталей за допомогою рентгенівських променів.

7. Сутність і призначення макроаналізу.

8. Що таке макроструктура? Види її контролю.

9. Що таке макрошліф? Методика його приготування.

10. Макроструктура литого та гаряче деформованого металів, їх особливості.

11. Як впливає розміщення волокон після гарячої деформації на механічні властивості матеріалу виробів?

12. Сутність і призначення мікроаналізу.

13. Методика приготування мікрошліфів. Чим відрізняються технології макро- та мікрошліфів?

14. Які деталі будови металу можна виявити на шліфах до та після травлення?

15. Механізм виявлення структури при травленні.

16. Будова металографічного мікроскопу.

17. Як визначається розрізнювальна здатність мікроскопу, його корисне та практичне збільшення?

18. Хід променів в оптичному мікроскопі МИМ-7.

1.6. Рекомендована література

1. Бялік О.М., Черненко В.С., Писаренко В.М., Москаленко Ю.Н. Металознавство. – К.: Політехніка, 2001.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение. – 3-е изд. – М.: Машиностроение, 1990.

3. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. – 6-е изд. – М.: Металлургия, 1989.

Лабораторна робота № 2

Вимірювання твердості металів

Методом Бринелля

Мета роботи – ознайомитися з методикою вимірювання твердості металів вдавлюванням кульки (методом Бринелля), будовою та роботою приладу Бринелля; набути практичних навичок вимірювання твердості.

2.1 Прилади і матеріали

1. Прилад для вимірювання твердості матеріалів методом Бринелля (ТШ-2).

2. Інструкція по експлуатації приладу ТШ-2.

3. Відліковий мікроскоп, шліфувальна шкірка.

4. Набір зразків.

Порядок виконання роботи

1. Вивчити будову і роботу приладу ТШ-2.

2. Ознайомитися з методикою вимірювання твердості методом Бринелля.

3. Виміряти твердість зразків.

4. Оформити результати дослідів і скласти протокол.

2.3 Загальні відомості

Твердість металів характеризує їх механічні властивості. Її вимірюють контактним впливом на поверхню металу накінечником з матеріалу, що мало деформується (тверда загартована сталь, твердий сплав, сапфір чи алмаз), що має форму кульки, конуса, піраміди чи голки. Існує декілька методів вимірювання твердості, що розрізняються характером впливу накінечника на метал.

Твердість можна вимірювати вдавлюванням накінечника під дією зусилля (спосіб вдавлення), дряпанням поверхні (спосіб дряпання), чи ударом – по відскоку накінечника. Твердість, визначена вдавлюванням, характеризує опір металу пластичній деформації; визначена царапанням – опір руйнуванню шляхом зрізу для більшості металів; визначена по відскоку – пружні властивості. Найбільше поширення одержав спосіб вимірювання твердості вдавлюванням за допомогою приладу Бринелля (рис.2.1).

Рисунок 2.1 – Схема приладу для вимірювання твердості

методом Бринелля (вдавлюванням кульки):

1 – оправка з кулькою (індентор); 2 – кнопка вмикання електродвигуна;

3 – вантаж; 4 – таймер; 5 – електродвигун; 6 – станина; 7 – маховик;

8 – столик

Прилад складається з механізму привода, що включає в себе електродвигун і черв'ячний редуктор, механізму підйому столу, механізму вантажільного пристрою перемикача напрямку руху (реверсування), навантаження.

Для вимірювання твердості зразок (деталь), що досліджується, необхідно встановити на столику 8, шліфованою поверхнею догори.

Поворотом маховика 7 за годинниковою стрілкою плавно підняти столик приладу спочатку до контакту кінцевика з поверхнею випробовуваного зразка, а потім до упора в обмежувач; натиснути кнопку 2 для включення електродвигуна 5. За допомогою механізму навантаження забезпечується плавне прикладення зусилля Р, поки воно не досягне заданої величини. Це зусилля повинне діяти протягом деякого часу, що залежить від твердості випробовуваного матеріалу.

Після автоматичного вимикання електродвигуна поворотом маховика 7 проти годинникової стрілки опустити столик і зняти зразок.

Після зняття зусилля на випробуваному металі залишається відбиток зі сферичною поверхнею (лунка), що утворився в результаті пластичного деформування поверхневого шару металу під накінечником і поблизу нього (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 – Схема визначення твердості металу методом Бринелля:

F – зусилля, Н; d – діаметр відбитка, мм; D – діаметр кульки, мм;

h – глибина відбитка, мм

Відповідно до ГОСТ 9012-89 твердість по Бринеллю позначають символом НВ (НВW), перед яким є числове значення твердості з трьох значущих цифр, а після символу вказується діаметр кульки (мм), значення прикладеної маси (кг), тривалість витримки, якщо вона відрізняється від 10-15 с.

Наприклад: 250 НВ 5/750 – твердість по Бринеллю 250, визначена при використанні сталевої кульки Æ 5 мм, при зусиллі 7355 Н та тривалості витримки 10-15 с;

575 НВ W 2,5/187,5/30 – твердість по Бринеллю 575, визначена при застосуванні кульки з твердого сплаву Æ 2,5 мм, при зусиллі 1839 Н та тривалості витримки 30 с.

При визначенні твердості сталевою кулькою чи кулькою з твердого сплаву Æ 10 мм при зусиллі 29420 Н і тривалості витримки 10...15с твердість по Бринеллю позначають тільки числовим значенням твердості і символом НВ чи НВW: наприклад, 185 НВ, 600 НВW.

При вимірюванні твердості прилад повинен бути захищений від ударів і вібрації. Опорні поверхні столика і підставки, а також опорні і робочі поверхні зразка необхідно очистити від сторонніх речовин (окалини, змащення та ін.). Зразок потрібно установити на столик чи підставку, щоб уникнути його зсуву і прогину під час вимірювання твердості. Вимірювання виконують при температурі 20-25 °С.

Відстань між центром відбитка та краєм зразка повинна бути не менше ніж 2,5 діаметрів відбитка d; відстань між центрами двох суміжних відбитків – не менш 4d; для металів із твердістю до 35 НB (НВW) – відповідно 3d і 6d.

Після вимірювання твердості на зворотному боці зразка не повинно спостерігатися пластичної деформації від відбитка.

Товщина зразка S повинна не менш ніж у 8 разів перевищувати глибину відбитка h и визначається так

Мінімальну товщину зразка визначають відповідно до табл. 2.1

Таблиця 2.1 – Залежність мінімальної товщини зразка від діаметру кульки та розмірів відбитка

Діаметр відбитка, мм	Діаметр кульки, мм	Діаметр відбитка, мм	Діаметр кульки, мм
		2,5			2,5
0,2	0,08			2,40		1,46	1,17
0,3	0,18			2,46		2,92	1,38
0,4	0,33			2,80		3,43	1,60
0,5	0,54	0,25		3,00		4,00	1,84
0,6	0,80	0,37	0,29	3,20			2,10
0,7		0,51	0,40	3,40			2,38
0,8		0,67	0,53	3,60			2,68
0,9		0,86	0,67	3,80			3,00

Продовження таблиці 2.1

1,0	1,07	0,83		1,00	3,34
1,1	1,32	1,02		4,20	3,70
1,2	1,60	1,23	0,58	4,40	4,08
1,3		1,46	0,69	4,60	4,48
1,4		1,72	0,80	4,80	4,91
1,5		2,00	0,92	5,00	5,36
1,6			1,05	5,20	5,83
1,7			1,19	5,40	6,33
1,8			1,34	5,60	6,86
1,9			1,50	5,80	7,42
2,0			1,67	6,00	8,00
2,2			2,04

Діаметр d відбитка вимірюють за допомогою відлікового мікроскопа, на окулярі якого нанесена шкала з поділками, що відповідають десятим частинам міліметра. Діаметри відбитків d₁ і d₂ виміряються в двох взаємно перпендикулярних напрямках. За діаметр відбитка d приймається середнє арифметичне значення результатів вимірів. При цьому різниця вимірів діаметрів одного відбитка не повинна перевищувати 2 % меншого з них. Кількість відбитків повинна бути не менше трьох.

При твердості металів менше 450 од. для вимірювання твердості використовують сталеві кульки чи кульки з твердого сплаву; при твердості металів більше 450 од. – кульки з твердого сплаву.

При вимірюванні твердості металів методом Бринелля враховують величину К – відношення зусилля до квадрата діаметра кульки, Н(мм²):

Значення К вибирають в залежності від металу та його твердості (табл. 2.2).

Таблиця 2.2 – Залежність К від роду випробовуваного металу

і його твердості

Матеріал	Твердість по Бринеллю	К
Сталь, чавун, високоміцні сплави (на основі нікелю, кобальту й ін.)	До 140 140 і більш	10,0 30,0
Титан і сплави на його основі	Від 50	15,0
Мідь і сплави на її основі	менше 35	5,0
легкі метали і їхні сплави	Від 36	10,0
Підшипникові сплави	8... 50	2,5
Свинець, олово й інші м'які метали	До 20	1,0

Зусилля F встановлюють в залежності від значення К и діаметра кульки D (табл. 2.3).

Таблиця 2.3 – Залежність зусилля F від значень K і D

Діаметр кульки D, мм	Зусилля F, Н, при K рівних
			2,5
1,0	294,2	98,07	49,03	24,52	9,807
2,0	1177,0	392,30	196,10	98,07	39,230
2,5	1839,0	612,90	306,00	153,00	60,800
5,0	7355,0	245,20	1226,00	612,90	245,200
10,0	29420,0	9807,00	4903,00	2452,00	980,700

Діаметр кульки D і відповідне зусилля F вибирають таким чином, щоб діаметр відбитка знаходився в межах 0,24...0,6 D. При недотриманні цих вимог необхідно змінити умови випробування (діаметр кульки і зусилля).

Вибравши по табл. 2.2 і 2.3 зусилля і діаметр кульки для виміру твердості матеріалу, встановити на підвіску набір вантажів, враховуючи те, що важільна система з підвіскою створюють зусилля 1837,5 Н. Для отримання різних зусиль на приладі на підвіску встановити вантажі з таким розрахунком, щоб сума умовно маркірованої маси і підвіски склала необхідне зусилля. Потім вставити у втулку (див. рис. 2.1) оправку 1 з обраною кулькою та закріпити гвинтом; настроїти обмежник.

Тривалість витримки накінечника під дією заданого зусилля повинна відповідати твердості випробовуваного матеріалу (табл. 2.4).

Таблиця 2.4 – Залежність тривалості витримки від твердості випробовуваного матеріалу

Твердість по Бринеллю, НB	Тривалість витримки, с.
До 10
Понад 10 до 35
Понад 35 до 100
Понад 100	10...15

На результати вимірювання твердості значний вплив має стан поверхні випробовуваного матеріалу. Вона повинна бути рівною, без виступів. Чим менше зусилля вдавлення, тим більш ретельно потрібно підготувати поверхню. Вона повинна представляти собою шліфовану ділянку. При вимірюванні твердості кулькою Æ 1 мм поверхню випробовуваного зразка треба відполірувати. Поверхня повинна бути встановлена горизонтально. Протилежна сторона зразка також повинна бути зачищена і не мати окалини, тому що остання при навантаженні зразка деформується, що призводить до спотворення результатів вимірювання.

Метод Бринелля не рекомендується застосовувати для металів твердістю більш 450 НВ (при використанні сталевої кульки) і 600 НВW (при використанні кульки з твердого сплаву), тому що кулька може деформуватися, що призведе до перекручування результатів досліду. Також не можна вимірювати твердість тонкого поверхневого шару товщиною менш 1...2 мм, тому що сталева кулька продавлює цей шар і проникає на велику глибину. Як зазначалось, товщина вимірюваного шару (чи зразка) повинна бути не менш 8-кратної глибини відбитка.

2.4 Методичні вказівки

Дана лабораторна робота виконується фронтально, бригадами по 2-3 особи відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки. Кожна бригада одержує зразки і вимірює їх твердість.

При вимірюванні твердості вдавлюванням кульки на пластичну деформацію випробують не тільки пластичні метали, але і метали, що при звичайних механічних випробуваннях (на розтягування, стискання, крутіння, вигин) руйнуються крихко, майже без мікроскопічно помітної пластичної деформації (наприклад, сірий чавун).

Оскільки відповідно до методу Бринелля значення твердості визначають відношенням зусилля F до площі поверхні сферичного відбитка A, то твердість може вимірятися в тих же одиницях, що і міцність. Однак при деформації вдавлюванням кульки напруження вкрай нерівномірно розподіляються по поверхні відбитка під час досліду, тому такий тиск (зусилля на поверхню відбитка) не має чіткого фізичного змісту. Тому краще твердість не вимірювати в указаних одиницях, а саме дослідження розглядати як технологічну пробу, що опосередковано характеризує міцність матеріалу.

Якщо твердість визначається по вимірюваному відбитку, відомому зусиллю і діаметру кульки, то результати розрахунків округляти до цілого числа – для металів із твердістю вище 100 НВ; і до однієї десятої – для металів із твердістю менш 100 НВ. Потім, визначивши твердість НВ по табл. 3.5 в залежності від діаметра відбитка і співвідношення між зусиллям F та площею поверхні відбитку, порівняти розрахункові і табличні дані та занести середні значення по 3-5 вимірам у табл. 2.5.

Таблиця 2.5 – Експериментальні дані по вимірюванню твердості металів

Матеріал (марка) зразка	Товщина зразка, мм	Діаметр кульки, D, мм	Зусилля F, H	Витримка під наванта-женням, с	Діаметр відбитка, d, мм	Число твердості HB, МПа

2.5 Зміст протоколу

1. Назва роботи.

2. Мета роботи.

3. Схема приладу ТШ-2.

4. Опис методики вимірювання твердості металів способом вдавлювання сталевої кульки.

5. Експериментальні дані по вимірюванню твердості. (див. табл. 2.5)

6. Висновки по виконаній роботі.

2.6 Питання для самоперевірки

1. Що таке твердість металів?

2. Сутність і методика вимірювання твердості металів методом Бринелля.

3. Які накінечники застосовують при вимірюванні твердості?

4. Які діаметри кульок використовують?

5. Яка витримка при вимірюванні твердості методом Бринелля?

6. Як подається попереднє зусилля на приладі Бринелля?

7. Яким приладом визначають діаметр відбитка кульки при вимірюванні твердості?

8. Якою повинна бути відстань між центрами сусідніх відбитків і від центра відбитка до краю зразка при вимірюванні?

9. Якою повинна бути витримка при вимірюванні твердості чавуна методом Бринелля?

10. Якою повинна бути витримка при вимірюванні твердості алюмінію (20 НВ)?

11. Як позначається твердість металів, виміряна методом Бринелля?

12. Метод вимірювання твердості зразка товщиною 4 мм з м'якої сталі.

13. Які діаметр кульки і зусилля використовують при вимірюванні твердості чавунної пластинки товщиною 10 мм?

14. Приведіть формулу для визначення числа твердості металів методом Бринелля.

15. Твердість яких матеріалів не можна вимірювати вдавлюванням сталевої кульки?

16. Якою повинна бути товщина вимірюваного шару чи зразка при вимірюванні?

2.7 Рекомендована література

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990.

2. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1989.

3. Болховитинов Н.Ф., Болховитинова Е.Н. Атлас макро- и микроструктур металлов и сплавов. – М.: Машгиз, 1959.

4. ГОСТ 9012-89. Металлы. Методы измерения твердости по Бринеллю.

Лабораторна робота № 3

Залізовуглецеві сплави та їх мікроскопічне дослідження

Мета роботи – вивчити структурні складники вуглецевих сталей в зрівноваженому стані, встановити зв’язок між структурами сталі з діаграмою стану сплавів залізо-цементит, набути практичних навичок дослідження мікроструктури сталей.

3.1 Прилади та матеріали

1. Металографічний мікроскоп.

2. Зразки (шліфи) сталі для вивчення мікроструктури.

3. Марки, хімічний склад, механічні властивості технічного заліза та вуглецевих сталей за державними стандартами.

4. Атлас мікроструктур.

Порядок виконання роботи

1. Вивчити мікроструктуру технічного заліза (залізо Армко), сталей 10, 45, У8, У12.

2. Зарисувати та описати мікроструктуру сталей.

3. Визначити з допомогою металографічного мікроскопу та персонального комп’ютера масову частку вуглецю в доевтектоїдній та в заевтектоїдній сталі за мікроструктурою (приблизно).

4. Ознайомитися з марками, класифікацією, хімічним складом та призначенням вуглецевих сталей за державними стандартами.

5. Оформити результати дослідів та скласти протокол.

3.3 Загальні відомості

Серед металевих матеріалів у машинобудуванні найбільш широко використовуються сплави заліза з вуглецем – сталі та чавуни (90 % від загальної кількості матеріалів). Визначити структури цих сплавів у стані рівноваги, температури фазових перетворень, вибрати температуру термічної обробки дозволяє метастабільна діаграма стану “залізо-цементит” (Fe-Fе₃С) та стабільна діаграма стану “залізо-вуглець” (Fe-C).

3.3.1 Компоненти, фази та структурні складові

залізовуглецевих сплавів

Компоненти –хімічні елементи, що утворюють сплав – залізо та вуглець.

Залізо –метал з температурою плавлення 1539 °С. Атомний радіус 0,127 нм. Залізо поліморфне. Нижче 911 °С та в інтервалі 1392...1539 °С має ОЦК гратку з параметром 0,286 нм. При 20 °С заповнення об'єму гратки атомами на 68 %. Низькотемпературна модифікація позначається a-Fe, високотемпературна – d-Fе. В інтервалі температур 911...1392 °С існує g-Fе з ГЦК граткою, параметри якої 0,3645 нм, заповнення об'єму гратки атомами на 74 %. Між атомами заліза існує металевий тип зв'язку. Нижче 768 °С a-Fe – феромагнітне, g-Fе, b -Fe, d -Fe – парамагнітне.

Залізо характеризується низькими рівнями міцності, твердості та високою пластичністю (s_в= 150...200 МПа; НВ 60...70; d = 60 %).

Вуглець – неметал з температурою плавлення 3600 °С, атомним радіусом – 0,077 нм. Має дві модифікації: стабільну – у вигляді графіту та метастабільну – у вигляді алмазу.

В Fe-C сплавах розрізняють фази: рідкий розчин (Р), ферит (Ф),аустеніт (А), цементит (Ц) і графіт (Г).

Ферит – твердий розчин втілення атомів вуглецю в ОЦК гратці заліза. Розрізнюють низькотемпературний a-ферит з граничною розчинністю вуглецю 0,02 % при 727 °С та високотемпературний d-ферит (0,1 %С при 1499 °С). Низька розчинність вуглецю у фериті обумовлена малим радіусом порожнин в ОЦК гратці (0,037 нм). Механічні властивості фериту: s_в= 200...250 МІІа; d = 40...50 %; НВ80...90.

Аустеніт - твердий розчин втілення атомів вуглецю в g-Fе ГЦК гратці, радіус міжатомних порожнин дорівнює 0,052 нм. Цим обумовлена підвищена, в порівнянні із феритом, розчинність вуглецю в аустеніті – 2,14 % при 1147 °С. Аустеніт має наступні механічні властивості: s_в= 50...60 %; НВ 160...200. Фаза в'язка, парамагнітна.

Тверді розчини втілення, крім вуглецю, можуть утворювати азот і водень (атомні радіуси 0,072 нм та 0,0056 нм. відповідно), частково бор, а тверді розчини заміщення – кремній, марганець, хром, нікель, молібден, вольфрам тощо.

Цементит – хімічна сполука Fе₃С,що містить 6,67 %С. Гратка – складна ромбічна, характеризується металевим та іонним зв'язком між атомами вуглецю та заліза. Тому цементит має високу твердість (НВ³800), крихкість і практично нульову пластичність. Цементит – метастабільна фаза і у високо вуглецевих сплавах (>2,14 %С) при дуже повільному охолодженні замість нього може утворюватися графіт.

Графіт – стабільна модифікація вуглецю, має складну гексагональну кристалічну гратку. Відстань між атомами в одному шарі складає 0,1415 нм, між шарами – значно більше – 0,34 нм. У першому випадку зв'язок реалізується за рахунок ковалентних сил, у другому – за рахунок слабких Ван-дер-ваальсовських. Густина графіту 2,26 г/см³. Твердість 3...5 НВ, значна крихкість, пластичність практично відсутня.

Ферит, аустеніт, цементит можуть існувати у сплавах в структурно вільному стані або входити до складу ледебуриту чи перліту.

Ледебурит – евтектична фазова суміш цементиту та аустеніту в інтервалі температур 1147...727 °С, перліту і цементиту – при температурах нижче 727°С. Середній вміст вуглецю в ледебуриті 4,3 %. Ледебурит утворюється в залізовуглецевих сплавах, що містять більше 2,14 %С. Ледебурит містить 64 % цементиту, тому він твердий (НВ³600) та крихкий.

Перліт – евтектоїдна фазова суміш фериту і цементиту, що містить 0,8 %С. Властивості перліту залежать від дисперсності ферито-цементитної суміші та форми цементиту. Грубопластинчастий перліт має властивості: s_в= 500...600 МІІА; d = 8...15 %; 160...250 HB. Більш дисперсний перліт має більшу міцність та меншу пластичність.

4.3.2 Метастабільна діаграма Fе-Fе₃С

Рисунок 3.1 – Діаграма стану залізо-цементит(вуглець)

Складність діаграми Fе-Fе₃С (рис. 3.1) зумовлена тим, що у залізовуглецевих сплавах, окрім первинної кристалізації (Рідина ® тверда фаза) відбуваються процеси вторинної кристалізації в твердому стані, які пов'язані з поліморфними перетвореннями заліза та зменшенням розчинності вуглецю у фериті та аустеніті.

При аналізі залізовуглецевих сплавів користуються двома діаграмами стану (рис. 3.1): метастабільною, що характеризує перетворення в системі залізо-цементит (суцільні лінії) та стабільною, що характеризує перетворення в системі залізо-графіт (пунктирні лінії). Система залізо-графіт більш стабільна, ніж система залізо-цементит, тому що при нагріванні до високих температур цементит може розкластися на залізо та графіт, тобто переходить у більш стабільний стан. Ці діаграми є неповними (до 6,67 %С). Це пояснюється тим, що практичне використання мають сплави заліза з вуглецем (сталі та чавуни) із вмістом вуглецю до 5..6 %.

Точки та лінії діаграми. Точки на діаграмі визначаються температурою та концентрацією вуглецю. Точка А (1539 °С, 0 %С) – температура кристалізації (плавлення) заліза, точка D (1250 °С, 6,67 %С) – цементиту. Точки N 1392 °С, 0 %С) та G (911 °С, 0 %С) – температури поліморфного перетворення в залізі. Інші точки діаграми будуть охарактеризовані при розгляді фазових та структурних перетворень у різних сплавах.

Лінії діаграми – це геометричне місце точок, що характеризують хімічний склад фаз, які знаходяться у рівновазі, температури початку та кінця фазових перетворень. З теорії кристалізації відомо, що перехід від рідкого стану в твердий відбувається не при температурі рівноваги Т₀ для цих фаз, а при деякому переохолодженні DТ. Тому далі при розгляді перетворень, що проходять в реальних умовах при охолодженні (нагріванні), буде матися на увазі, що вони відбуваються при деякому переохолодженні (перегріванні) відносно температур рівноваги Т₀.

Первинна кристалізація. За лінією ліквідусу ABCD починається кристалізація з рідкої фази: d-фериту Ф_d (АВ), аустеніту А (ВС) та цементиту первинного Ц ₁ (СD,). Лінія АН – температурна межа двофазної зони “рідина+Ф_d”, нижче цієї лінії – однофазна зона Ф_d.HJB – лінія поліморфного перетворення за перитектичною реакцією:

При переохолодженні нижче 1499 °С внаслідок взаємодії рідини складу В (0,51 %С) з кри