Лабораторная работа 5. Типовые структуры сталей и чугунов

Экспериментальная часть

Задача № 4.1

1. Определить твердость стали по Бринеллю и указать примерно предел текучести и предел прочности данной стали.

2. Определить твердость стали по Роквеллу и сверить по таблице значения твердости, полученные методами Бринелля и Роквелла.

3. Используя соотношения между числами твёрдости определить твердость данной стали по Виккерсу.

Контрольные вопросы

1. Укажите причины, по которым измерение твердости является наиболее распространенным методом определения механических свойств металлов и сплавов.

2. Опишите эксперимент, который лежит в основе методов определения твердости металлов и сплавов.

3. Дайте определение понятия «твердость» металлов и сплавов.

4. Приведите классификацию методов определения твердости по Бринеллю и Виккерсу, а также по Роквеллу.

5. Метод измерения твердости по Бринеллю. Характерная особенность метода и область его применения.

6. Число твердости по Бринеллю. Формула для его определения, размерность.

7. Почему число твердости по Бринеллю зависит от величины приложенной нагрузки и как преодолеть этот недостаток?

8. Приведите формулы для определения предела прочности (s_в) и предела текучести (s _Т) стали и границы их достоверности. Объясните причину ограниченности этих формул.

9. Метод измерения твердости по Виккерсу. Характерная особенность метода и область его применения.

10. Число твердости по Виккерсу. Формула для его определения, размерность.

11. Метод измерения твердости по Роквеллу. Характерная особенность метода.

12. Укажите на причины наиболее широкого использования в промышленности метода измерения твердости по Роквеллу.

13. Числа твердости по Роквеллу HRA, HRB и HRC. Размерность, сочетание величин нагрузки и типа индентора, характерные для этих чисел твердости. Области применения каждого из способов определения твердости по Роквеллу.

14. Укажите на возможность перевода чисел твердости, измеренные разными методами.

Цель работы – изучение структуры сталей и чугунов в равновесном (отожжённом) состоянии

Равновесные структуры сплавов описываются диаграммами состояния. Таким образом, диаграмма состояния сплавов «Fe–C» (см. рис.5.1) отражает структуры сталей и чугунов в равновесном состоянии, т.е. после их очень медленного охлаждения или отжига.

Рис. 5.1. Диаграмма состояния «Fe – C»

Все эти сплавы по химическому составу и структурному признаку возможно разделить на следующие:

¾ технически чистое железо, содержание углерода не более 0,02%; структурное отличие – отсутствие перлита в структуре сплавов;

¾ стали, содержание углерода в сталях находится в пределах 0,02%…2,14%; структурное отличие – наличие перлита и отсутствие ледебурита в структуре;

¾ чугуны, содержание углерода более 2,14%, структурное отличие – присутствие ледебурита в структуре.

У сплавов с содержанием углерода, меньшим 0,006%, структура – феррит. Фазовый состав всех остальных сплавов, с большим содержанием углерода, одинаков – это феррит и цементит. В то же время сплавы разного химического состава имеют значительные отличия в структуре и, соответственно, в свойствах.

Сплавы «технически чистое железо» и «стали» являются деформируемыми, а «чугуны» – литейными сплавами.

Высокая пластичность характерна для сплавов типа «твердый раствор», тогда как химические соединения и, в частности, карбиды, к которым относится цементит, обладают высокой твердостью и хрупкостью, они практически не деформируемы.

Технически чистое железо – это сплавы, являющиеся практически однофазными, их структура феррит – твердый раствор углерода в Fe_a. Весьма малое количество третичного цементита в сплавах с содержанием углерода более 0,006% практически не снижает пластичность. Поэтому эти сплавы хорошо деформируются не только в горячем, но и в холодном состояниях.

Получение однофазной структуры в сталях достигается нагревом выше линии GSE (см. рис.5.1) диаграммы состояния «Fe–C», при этом они получают структуру аустенита – твердого раствора углерода в Fe_g. Таким образом, все стали обладают высокой пластичностью в горячем состоянии. Стали с низким содержанием углерода, т.е. небольшим количеством цементита в структуре, пластичны и при цеховых температурах.

Наличие эвтектики – ледебурита в структуре чугунов - исключает получение в твердом состоянии однофазной структуры, состоящей из твердого раствора.. Растворить цементит, входящий в состав ледебурита, возможно только в жидкости. При температуре эвтектического превращения (линия ECF диаграммы состояния «Fe–C» – см. рис.5.1) в образовавшейся при нагреве жидкости растворяются эвтектические карбиды. Первичный цементит растворяется в жидкости при нагреве до более высоких температур (линия CD диаграммы состояния «Fe–C» – см. рис.5.1).

Наличие в структуре чугунов большого количества цементита, не пластичного, обладающего высокой твердостью, не позволяет подвергать их горячему, а тем более холодному пластическому деформированию. Вместе с тем, наличие в структуре эвтектики – ледебурита, определяет пониженную по сравнению со сталями температуру затвердевания и, таким образом, хорошие литейные свойства, а именно, значительно лучшую жидкотекучесть, т.е. способность заполнять литейную форму.

Технически чистое железо

Структура этих сплавов – феррит - Ф (при содержании углерода менее 0,006%) или феррит и цементит третичный – Ф+Ц_III (при содержании углерода в пределах 0,006%…0,02%). Структура технически чистого железа представлена на рис.5.2а.

Выделение Ц_III из феррита происходит вследствие того, что при понижении температуры уменьшается растворимость углерода в феррите(по линии PQ диаграммы состояния «Fe–C»). Твердость этих сплавов составляет 80…100НВ. Значения пределов прочности и текучести определяются из известных соотношений между твердостью по Бринеллю, с одной стороны, и пределами прочности и текучести – с другой (см. л/р №4).

Дата добавления: 2014-11-25