Краткие сведения из теории. В машиностроении используются детали из заготовок, полученных способами обработки давлением или литьем

В машиностроении используются детали из заготовок, полученных способами обработки давлением или литьем. Широкое применение имеют стали и чугуны. Стали являются деформируемым материалом, иногда применяется стальное литье. Чугуны представляют собой, как правило, литейные материалы. Примеры использования этих материалов даны ниже. Легковой автомобиль среднего класса массой 1000…1100 кг имеет детали из разных сталей, составляющие 57…60 % его массы (США, Западная Европа). В станкостроении общая масса чугунных деталей равна в среднем 70…80 % от массы металлорежущего станка.

Основу химического состава сталей и чугунов составляет железо с добавками углерода менее 2,14 % (стали) или более 2,14 % (чугуны). У многих марок этих материалов дополнительно содержатся легирующие химические элементы (хром, кремний, марганец, никель, молибден и др.). Перечень основных видов сталей и чугунов по государственным стандартам приведен в табл. 1 и 2. В машиностроении преимущественно применяются конструкционные стали и отливки из чугунов, используемые для изготовления деталей машин и различных сооружений, и инструментальные стали для металлорежущих, штамповых, измерительных и других инструментов.

При изучении строения и определении качества металлических материалов в материаловедении широко используется микроструктурный анализ.

Микроанализ - изучение строения поверхностей шлифованных, полированных и протравленных образцов - микрошлифов с помощью металлографических оптических микроскопов при увеличениях обычно от ´100 до ´1000.

Наблюдаемое при этом строение поверхности шлифа называется микроструктурой.

Микроанализ основан на использовании законов отражения и поглощения световых лучей от поверхности непрозрачных металлических материалов (рис. 1). Полированная металлическая поверхность отражает направленные на нее перпендикулярно световые лучи и видна в окуляр микроскопа как светлая. При наличии в материале неметаллических составляющих структуры они видны как темные, так как поглощают световые лучи.

Стали, получаемые кислородно - конверторным, электросталеплавиль-ным и другими способами, содержат неметаллические включения. Это химические соединения металлов (железа, алюминия, и др.) с неметаллами (серой, кислородом, азотом и др.).

Таблица 1. Перечень основных разновидностей сталей по государственным стандартам

№№ ГОСТа

Наименование стандарта

380-88 535-88 1050-88 1414-75Е 1435-90 4543-71 5632-72 5950-73 14959-79 19265-73

Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки. Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества. Общие технические условия. Прокат сортовой, калиброванный со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия. Прокат из конструкционной стали высокой обрабатываемости резанием. Технические условия Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки. Прутки и полосы из инструментальной легированной стали. Технические условия Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали. Технические условия. Прутки и полосы из быстрорежущей стали. Технические условия.

Таблица 2. Перечень основных разновидностей чугунов по государственным стандартам

№№ ГОСТа

Наименование стандарта

1215-79 1412-85 1585-85 7293-85 7769-82 28394-89

Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия. Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки. Чугун антифрикционный для отливок. Марки. Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки. Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки. Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки.

Рис. 1. Схема отражения световых лучей от поверхности полированного (а) и подвергнутого травлению (б) микрошлифа.

Основными видами неметаллических включений в стали по ГОСТ 1778-70 являются оксиды, сульфиды, силикаты, нитриды и карбонитриды (MnS, SiO₂, TiN, nFeO × mMnO × pSiO₂ и др.). Оксиды и нитриды являются хрупкими и при прокатке стали располагаются в виде строчек или рассредоточенных точечных частиц. Пластичные сульфиды получают форму продолговатых линз. Силикаты имеют сложный химический состав и могут быть пластичными или хрупкими.

После травления шлифа химическим реактивом различные структурные составляющие материала растворяются в разной степени, т.е. возникает некоторый рельеф поверхности (наличие выступающих и углубленных участков). На отдельных участках этого рельефа световые лучи отражаются в разной степени и участки поверхности шлифа видны в окуляр как светлые и темные различных оттенков.

Данные о фазовом строении и структуре материалов в равновесном состоянии получают из приведенных в учебниках и справочниках диаграмм состояния. Такие диаграммы состояния в координатах «температура - химический состав» содержат информацию о фазах (первичных составляющих микроструктуры), имеющихся в отдельных областях диаграмм, разделенных сплошными линиями. Эти данные относятся к равновесному состоянию сплавов. Применительно к сталям и чугунам диаграмма состояния железо – углерод дана на рис. 2.

Рис. 2. Диаграмма состояния железо – углерод

Метастабильная диаграмма состояния железо-углерод относится к случаю полной растворимости компонентов в жидком состоянии выше линии ликвидуса ABCD и ограниченной растворимости углерода в железе в твердом состоянии. У железа наблюдаются два полиморфных превращения:

t_G t_N

Fe_g Fe_a; Fe_a Fe_g

Железо модификаций a и g имеет соответственно кристаллические решетки объемоцентрированного куба (ОЦК) и гранецентрированного куба (ГЦК). В связи с наличием у железа полиморфных превращений на диаграмме состояния железо-углерод образуются три области твердых растворов углерода в железе:

- область NJESGN твердого раствора g (аустенита А), т.е. раствора углерода в Fe_a (ГЦК);

- две области QPGQ и AHNA твердого раствора a (феррита Ф), т.е. раствора углерода в Fe_a (ОЦК).

В правой части метастабильной диаграммы состояния железо-углерод имеется узкая область DFKLD твердого раствора небольшого количества железа в химическом соединении Fe₃C, т.е. цементита Ц.

Следовательно, в сплавах метастабильной диаграммы состояния железо-углерод существуют следующие фазы: жидкий раствор углерода в железе, феррит, аустенит, цементит. Остальные области диаграммы состояния, ограниченные сплошными линиями, являются двухфазными, т.е. состоят из тех или иных двух фаз.

На диаграмме состояния имеются также горизонтальные линии трехфазных равновесий при постоянных температурах, где в равновесном состоянии существуют по три фазы:

· линия HJB перитектического превращения:

^t_HJB

Жв + Фн А_J

· линия ECF эвтектического превращения:

^t_ECF

Жc е (Ае + Ц_F) (эвтектика-ледебурит Л)

· линия PSK эвтектоидного превращения:

^t_PS_К

А_S е (Фр + Ц_К) (эвтектоид - перлит П)

В сплавах железо – углерод - кремний в зависимости от количества углерода и кремния, численной величины скорости охлаждения существовуют две разновидности диаграммы состояния железо-углерод: метастабильная (железо-цементит) и стабильная (железо - графит).

У сталей и чугунов в равновесном состоянии имеются следующие фазы:

Жидкий раствор (Ж) на основе железа.

Феррит (Ф) - твердый раствор углерода и легирующих элементов в железе Fе_a с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба (ОЦК). Феррит имеет твердость НВ 80-90, пластичен (относительное удлинение 50 %).

Аустенит (А) - твердый раствор углерода и легирующих элементов в железе Fe_g с кристаллической решеткой гранецентрированного куба (ГЦК).

Цементит (Ц) -раствор небольшого количества железа в карбиде железа Fe₃C.

Образуются также и более сложные структурные составляющие из двух фаз, наблюдаемые в микроструктуре:

Перлит (П) в виде темных (коричневых) участков, состоящий из ферритной основы и кристаллов цементита пластинчатой формы (пластинчатый перлит). Он образуется при медленном охлаждении в сталях и чугунах в результате следующего фазового превращения аустенита:

^t_psk

А Ф + Ц (П)

Особой термической обработкой может быть получен зернистый перлит, состоящий из феррита и частиц цементита в форме мелких зерен.

Ледебурит (Л) в виде пестрых бело-темных участков, состоящий из белого цементита -основы и темного перлита в виде округлых или удлиненных частиц (ниже 727°С). Выше температуры 727°С этот ледебурит состоит из цементита и аустенита:

^t_ecf

Ж А + Ц (Л)

Многочисленные стали разных марок, отличающиеся химическим составом, по микроструктуре в равновесном состоянии разделяются на шесть основных структурных классов (табл. 3). Представление о структурных классах чугунов дает табл. 4 и структурная диаграмма на рис. 3. Формы включений графита показаны на рис. 4.

Рис. 3. Структурная диаграмма чугунов (толщина стенки отливки постоянная)

Рис. 4. Характерные геометрические формы включений графита в конструкционных чугунах (без травления шлифов): а - пластинчатая, б - шаровидная, в – вермикулярная, г - хлопьевидная (компактная).

Таблица 3. Структурные классы сталей в равновесном состоянии

Структурный класс стали	Химический состав	Микро-структура	Типовое применение в машиностроении
Углерод С	Типичные легирующие элементы
Доэвтектоидные стали	Ср<С<Сs	Cr, Mn, Ni и др.	Феррит + перлит	Конструкционные стали
Эвтектоидные стали	C= Сs	Cr, W, V и др.	Перлит	Инструментальные стали
Заэвтектоидные стали	Сs<C<C_E	Cr	Перлит и карбиды вторичные	Инструментальные стали
Стали карбидного (ледебуритного) класса	C_E<C<2,14%	Хром, вольфрам (до 6…12 %)	Перлит, карбиды первичные и вторичные	Инструментальные стали
Стали аустенитного класса	Десятые доли % и менее	Никель, марганец (до 13…20 %)	Аустенит легированный	Коррозионно- стойкие стали. Жаропрочные стали
Стали ферритного класса	Кремний, хром	Феррит легированный	Электротехнические стали. Кислотостойкие стали

Таблица 4. Типичные структурные классы чугунов

Структурный класс чугуна	Микроструктура
Белые чугуны: - доэвтектические (С_Е<C<C_С) - эвтектический (С= C_С) - заэвтектические (C_С <C<C_F)	Ледебурит, перлит и карбиды вторичные Ледебурит Ледебурит и карбиды первичные
Половинчатые чугуны	Ледебурит, перлит, вторичный цементит и графит
Чугуны с пластинчатым графитом ЧПГ	Перлит и графит; феррит, перлит и графит
Чугуны с шаровидным графитом ВЧШГ	Перлит и графит; перлит, феррит и графит; бейнит и графит
Чугуны с вермикулярным графитом ЧВГ	Перлит, феррит, графит вермикулярный, до 20…30 % графита шаровидного
Чугуны с хлопьевидным (компактным) графитом ЧХГ	Феррит и графит; перлит и графит

Сведения о характерных механических свойствах углеродистых сталей и конструкционных чугунов приведены в табл. 5.

Таблица 5. Механические свойства сталей и чугунов (без упрочняющей термической обработки)

Наименование материала	Механические свойства
	предел прочности при растяжении, МПа	относительное удлинение, %
Углеродистые конструкционные стали	321…676	2…15
Конструкционные чугуны: - с пластинчатым графитом ЧПГ - с вермикулярным графитом ЧВГ - с хлопьевидным графитом ЧХГ - с шаровидным графитом ВЧШГ	100…440 300…450 300…630 350…1000	0,2…1,1 2,0…6,0 2,0…12,0 2,0…17,0

2. МАТЕРИАЛЬНО – ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ

В работе используются металлографические микроскопы и коллекции микрошлифов. Микроскопы выпускаются различной конструкции. Основными их частями являются: основание, корпус, предметный столик для установки микрошлифа, механизмы грубой фокусировки с макровинтом и микроподачи с микровинтом для точной наводки на фокус, оптическая система, осветитель.

Способность оптической системы микроскопа изображать раздельно две точки (разрешающая способность d, мкм) определяется по формуле:

d = l / 2А; (А = n sin (a/2)),

где l - длина волны световых лучей, мкм; n - показатель преломления световых лучей средой, находящейся между поверхностью микрошлифа и объективом микроскопа; a- отверстный угол объектива; А - числовая апертура микроскопа (обычно А= 0,17…1,25). При А = 1,25 и l= 0,55 мкм для видимых лучей спектра микроскоп позволяет видеть структурные составляющие размером d = 0,2 мкм.