Лабораторная работа №1. Изучение основ микроструктурного анализа металлов и сплавов с применением оптического микроскопа…
Скачать 1.03 Mb.
|
        Содержание
ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящее руководство к лабораторным работам предназначено для студентов – будущих инженеров в области технической эксплуатации авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов, а также транспортного радиооборудования и УВД. Поэтому в рамках отведенного учебными программами времени основной целью лабораторного практикума является исследование свойств основных групп современных материалов, применяемых в приборном и радиотехническом оборудовании воздушных судов в условиях комплексного воздействия на них эксплуатационных факторов. Особое внимание при этом уделяется формированию у обучаемых понимания физической сущности процессов, которые приводят к изменению рабочих характеристик элементов и устройств в процессе длительной их эксплуатации, а также умению анализировать причины отказа и принимать решение о выборе и замене материалов и радиокомпонентов авиационного оборудования. При подготовке настоящего руководства использован материал, изложенный в: – Методических указаниях к выполнению лабораторных работ по электроматериаловедению для студентов дневного и заочного обучения, авторы И.Н. Тихомиров, И.А. Тимошин, А.В. Мымриков, Е.В. Тутнова. - М.: МГТУ ГА, 1996г. – Руководство к лабораторным работам по курсу «Авиационное материаловедение», авторы Г.Н. Дубинин, Л.С. Воскобой-никова, Е.В. Тутнова. - М.: МГТУ ГА, 2008г. В подготовке рукописи руководства к изданию большой вклад внес сотрудник лаборатории Н.Ю. Баланчук. Авторы благодарят студента специальности 160903 А.И. Паршкова за разработку методики работы студентов на автоматизированной лабораторной установке для исследования магнитных материалов. Лабораторная работа №1 Изучение основ микроструктурного анализа металлов и сплавов с применением оптического микроскопа
Изучить принципы проведения микроструктурного анализа элементов металлических конструкций и деталей при производстве экспертизных исследований авиационной техники.
Познакомиться с устройством, возможностями и принципом работы металломикроскопов.
Под структурой металлов понимается их внутреннее строение, состоящее из кристаллов неправильной формы – зерен, образовавшихся при переходе металлов из жидкого состояния в твердое, т.е. при охлаждении. В дальнейшем при изготовлении из металла изделий используются различные способы формообразования металла: - изготовление изделий методом литья; - пластическая деформация (прокатка, ковка, штамповка, волочение и др.) - обработка металла на металлорежущих станках. После изготовления детали часто подвергаются термообработке (закалке, отпуску, отжиг и т.п.) Все эти перечисленные операции придают определенные свойства изделиям, прежде всего, за счет изменения структуры и фазового состава металлов и сплавов, из которых они изготовлены. Изучая структуру изделий можно получить информацию о том, каким способом они изготовлены, каково качество проведения тех или иных операций, какие свойства при этом достигнуты и т.п. Поэтому изучение микроструктуры изделий является одним из основных способов оценки качества технологических процессов при производстве изделий и очень важным этапом при экспертизных исследованиях причин отказов в ходе эксплуатации. Знакомство с содержанием и методикой проведения микроструктурных исследований в настоящей лабораторной работе проведем на примере анализа структуры железо-углеродистых сплавов ( сталей и чугунов). Фазовый состав и структурные составляющие железо-углеродистых сталей в равновесном состоянии описываются диаграммой состояния железо-углерод (рис.1.1). Диаграмма состояний Fe-C ограничивается сплавами, содержащими 6,67%С, поскольку при этой концентрации образуется химическое соединение – карбид железа Fe 3-C или цементит, каждый удобно рассматривать как второй компонент системы, поскольку сплавы с большим содержанием С не пригодны для практического применения. ФЕРРИТ+ АУСТЕНИТ ~1300°С B t, °C H A ФЕРРИТ+ ПЕРЛИТ ЦЕМЕНТИТ+ ПЕРЛИТ ПЕРЛИТ N O G I K 4,3 C% (мас) 6 5 4 3 2 2,14 2 0,8 1 Q 910 900 1539 ЦЕМЕНТИТ+ ЛЕДЕБУРИТ ПЕРЛИТ+ ЦЕМЕНТИТ+ ЛЕДЕБУРИТ 768°С M P АУСТЕНИТ+ ЦЕМЕНТИТ (ВТОРИЧНЫЙ) S АУСТЕНИТ ЖИДКОСТЬ+ АУСТЕНИТ 727°С F E С 1147°С ЖИДКОСТЬ+ ЦЕМЕНТИТ (ПЕРВИЧНЫЙ) ЖИДКОСТЬ АУСТЕНИТ+ ЛЕДЕБУРИТ+ ЦЕМЕНТИТ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Fe3C% (мас) 600 1600 ЦЕМЕНТИТ+ ЛЕДЕБУРИТ АУСТЕНИТ + ФЕРРИТ 700 800 1400 1500 1392 1100 1200 1300 D ФЕРРИТ+ ЦЕМЕНТИТ (ТРЕТИЧНЫЙ) ФЕРРИТ ЖИДКОСТЬ + ФЕРРИТ ФЕРРИТ АУСТЕНИТ Рис. 1.1. Диаграмма состояния сплавов Fe-C Рассмотрим характерные области диаграммы Fe-Fe3C .
2. Область GNIESOG принадлежит твердому раствору углерода в γ — Fe, называемая аустенитом (ГЦК); предельная растворимость углерода в аустените равна 2,14% при t=1147°С. С уменьшением температуры до 727°С растворимость углерода в аустените падает до 0,8%. 3. Область AHNA отвечает твердому раствору углерода в δ –Fe (ОЦК); предельная растворимость углерода равна 0,1 при t=1499°С. Так как у Fe�� и Fеδ – один и тот же тип кристаллической решетки (К=8), твердый раствор углерода в δ –Fe называется высокотемпературным ферритом. Вышеуказанные твердые растворы записывают так: Fe�� (C); Fеγ (С); Fеδ (С). Все три твердых раствора принадлежат к растворам типа внедрения. Феррит весьма мягок, пластичен (НВ=65-130; σВ=30 кг/мм2; δ =30%), магнитен до 768°С. Сплавы железа с углеродом (до 0,5%С) теряют магнетизм выше температуры МО, отвечающей точке Кюри (768°С). Аустенит более тверд и пластичен (НВ=200-250; δ =40-50%), немагнитен. Цементит очень тверд, но хрупок (НВ >800). Цементит имеет сложную орторомбическую кристаллическую решетку. Цементит магнитен до 210°С (А0). Будучи метастабильным соединением при весьма длительном нагреве выше 540°С цементит обнаруживает тенденцию к разложению. При t=1147°С и концентрации углерода 4,3% образуется эвтектика (точка С на диаграмме), которая состоит из двух фаз: аустенита и цементита. Такая смесь двух фаз называется ледебуритом. С уменьшением температуры с 1147°С до 727°С предельная растворимость углерода в аустените с 2,14% уменьшается до 0,8% (линия ЕS, по которой из аустенита выделяется вторичный цементит). Точка S, в которой сходятся две ветви кривых растворимости (GS и ES), напоминает точку эвтектики (С), однако в отличие от эвтектики в процессе охлаждения превращение в точке S происходит в твердом состоянии: Fеγ (С)0,8→ Fe�� (C)0,02+ Fе3 С. Такое превращение аустенита в смесь предельно насыщенного углеродом феррита и цементита называется эвтектоидным, а точка S называется эвтектоидной точкой. Образующаяся в процессе превращения эвтектоидная смесь, состоящая из феррита и цементита, называется перлитом. Перлит имеет пластинчатое строение: кристаллы цементита перемежаются с кристаллами феррита. Таким образом, в диапазоне концентраций углерода от точки Р до точки К в системе сплавов Fe — С при 727°С происходит эвтектоидное превращение, при котором из аустенита образуется перлит. Температура эвтектоидного превращения 727°С обозначается буквой А1. Таким образом, и структура ледебурита ниже 727°С уже будет состоять не из смеси аустенита и цементита, а из смеси перлита и цементита. В системе Fe — С имеются две принципиальные группы сплавов: стали и чугуны. Сталями называются сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14%С, сплавы с большим содержанием углерода называются чугунами. Сталь, содержащая 0,8%С, называется эвтектоидной. Если сталь содержит менее 0,8%С, она называется доэвтектоидной, а при большем содержании (0 8-2,14%С) — заэвтектоидной. Рассмотрим структурное превращение в системе Fe — С при медленном охлаждении аустенита доэвтектоидной стали 0,4% (рис. 1.2). В интервале температур 0 - 1 происходит охлаждение аустенита. Таким образом, процесс должен происходить при переменой температуре. Эта стадия процесса показана участком 0 - 1 на кривых охлаждения (рис. 1.2). В точке 1 начало кристаллизации �� фазы (феррита). По мере охлаждения относительное количество феррита увеличивается, а аустенита уменьшается. Концентрация углерода в аустените увеличивается по линии 1-S и в точке S при температуре 727°С достигает 0,8%. Концентрация углерода в феррите при этом увеличивается по линии GP, достигая при 727°С в точке Р значения 0,2%. Ψ an Ψ,δ%,an  Рис.1.3. Зависимость основных механических характеристик железо-углеродистых сплавов от содержания в них углерода %С 0,2 0,4 0,6 0,8 1,2 1,0 1,4 0 20 40 60 80 100 120 140 10 20 30 40 50 60 24 20 16 12 8 4 300 200 100 0 0 HB HB, ��B  ��B δ �� + Fe3C 0 �� ��+γ γ+ Fe3C 1 2 0,8 3 0,4 0,2 Q 0 3 2’ 2 1 Рис.1.2. Пример построения кривой охлаждения ФЕРРИТ ВРЕМЯ τ 0 727°С 910°С %С S P γ G На кривой охлаждения (рис. 1.2) этот процесс отражен наклонной линией 1-2. При температуре 727°С происходит эвтектоидное превращение (γ→��+ Fe3 С), при этом образуется перлит. Таким образом перлитное превращение протекает изотермически (площадка 2’-2 на кривой охлаждения). При дальнейшем понижении температуры до комнатной в интервале 2’-3 происходит охлаждение двухфазной структуры, которая состоит из зерен феррита и зерен перлита. Зерна феррита в микроструктуре наблюдаются в виде светлых зерен, перлит - в виде темных участков структуры. При большом увеличении можно наблюдать, что структура перлита состоит из пластинок феррита и цементита. Чем больше углерода в стали, тем больше в микроструктуре перлитной составляющей, тем выше твердость и прочность стали, но ниже пластичность (рис. 1.3). Так как содержание углерода в феррите незначительно по сравнению с перлитом, то можно считать, что весь углерод доэвтектоидной стали содержится в перлите. Более строго, общее количество углерода в стали следовало бы определить из уравнения: CS = C1S1 + C2S2, (1.1) т.е.  (1.2)где С – концентрация углерода в стали; C1, C2 – концентрация углерода в феррите и перлите соответственно; S – полная площадь исследуемого участка; S1, S2 – площади, занимаемые ферритом и перлитом соответственно. Но, как уже говорилось выше, можно C1=0 и тогда (1.2) перепишется в виде:  .Таким образом, определяя относительную площадь, занятую перлитом S2/S, можно определить концентрацию углерода в доэвтектоидной стали. Микроструктура заэвтектоидной стали состоит из перлита и вторичного цементита, расположенного в виде светлой сетки по границам зерен перлита. Cтали доэвтектоидного состава относятся (за некоторым исключением) к конструкционным сталям, стали эвтектоидного состава и заэвтектоидного – к инструментальным. Стали, применяемые в авиации, относятся к группе высококачественных, у которых содержание вредных примесей (S, Р) недолжно превышать 0,03%. В марках сталей с низким и средним содержанием углерода цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, а с высоким содержанием углерода (инструментальных) в десятых долях процента. Кроме того, в последнем случае перед цифрами ставится буква «У». Например, сталь 45. Это среднеуглеродистая конструкционная сталь, содержащая 0,42 — 0,5% С, У12А — инструментальная сталь с 1,2%С (1,15-1,24%С). Буква «А» характеризует принадлежность стали к высококачественной группе. Чугуны делятся на белые, серые и ковкие. Белый чугун имеет в изломе матово-белый оттенок вследствие наличия цементита. Основной структурной составляющей белого чугуна является ледебурит. В белом чугуне весь углерод связан в цементите. Белые чугуны подразделяются на доэвтектические (С < 4,З%), эвтектические (С = 4,3%) и заэвтектические (С > 4,3%). Доэвтектический белый чугун состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита. Перлит в белом чугуне окрашен в более темный цвет, а ледебурит имеет вид участков с точечными темными вкраплениями. Вторичный цементит, выделившийся из аустенита, находится в виде светлых включений и игл. Эвтектический белый чугун содержит 100% ледебурита, представляющего смесь перлита и цементита. Перлит в ледебурите темный, цементит светлый. Заэвтектический белый чугун состоит из первичного цементита и ледебурита. Первичный цементит имеет вид крупных светлых игл, а ледебурит имеет такой же характер структуры, как и в доэвтектическом чугуне. Серый чугун. В изломе, благодаря наличию в структуре графита, чугун приобретает серый цвет. Микроструктура серого чугуна не соответствует диаграмме Fe-C (рис. 1.1), поскольку углерод в сером чугуне находится частично или полностью в свободном состоянии (графит). Серый чугун получают путем введения в чугун повышенного количества кремния, который ускоряет распад цементита по реакции: Fе3 С →3 Fеγ (С) + С (графит). Эта же реакция протекает при медленном охлаждении чугуна, при литье. По степени графитизации различают несколько видов серых чугунов: перлитный, перлитно-ферритный и ферритный. В микроструктуре серого чугуна графит наблюдается в виде пластин, которые, будучи хрупкими, образуют в металлической матрице микролокальную концентрацию напряжений, вследствие чего механические свойства такого чугуна невысокие. Путем введения в чугун перед разливкой модификаторов (магний, силикокальций) графит принимает шаровидную форму. Концентрация напряжений в этом случае меньше, что повышает механические свойства чугуна. Путем длительного двойного отжига белого чугуна при 950-970°С и после при 760-720°С получают ковкий чугун. В результате отжига графит в структуре приобретает форму хлопьев. Такой графит по сравнению пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность чугуна. Металлическая основа может состоять из феррита (ферритный ковкий чугун) и перлита (перлитный ковкий чугун). Наибольшей пластичностью обладает ферритный ковкий чугун. Железо (типа армко) Э, ЭА (С ≤ 0,4%). Микроструктура состоит из светлых полиэдрических зерен феррита. Различный оттенок полиэдров связан с анизотропией зерен. На светлом фоне зерен феррита наблюдаются неметаллические включения (в виде темных точек). Сталь 45А (0,42-0,5%С). Микроструктура состоит из светлых зерен феррита и темных зерен перлита. При большом увеличении (больше 500 крат) отчетливо наблюдается пластинчатое строение перлита, темные участки (пластины) принадлежат части поля структуры, занятой ферритом, светлые участки (пластины) структуры принадлежат цементиту и частично ферриту. Сталь У8А (0,75-0,84%С). Микроструктура состоит из перлита. В различных зернах ориентация пластин цементита и феррита различна. Сталь У12А (1,15-1,24%С). Микроструктура состоит из пластинчатого перлита и вторичного цементита. Вторичный цементит расположен в виде светлой оторочки (сетки) по границам зерен перлита. Белый чугун. Химический состав: 2,4-2,8%С; 0,8-1,4%Si; ≤1%Mn; ≤0,1%S; ≤ 0,2%Р. Микроструктура доэвтектического белого чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита. Темные большие участки шлифа — перлит. Светлые участки с точечными темными вкраплениями — ледебурит. Вторичный цементит, выделившийся из аустенита, находится в виде светлых включений и игл, а местами сливается с цементитом ледебурита. Серый перлитный чугун (СЧ18-36). Химический состав: 3,2-3,6%С; 0,4-1,8%Si; ≤1% Mn; ≤0,2%S; ≤0,2%Р. Микроструктура состоит из перлита (основное поле шлифа) и графита (темные крупные пластинки). Высокопрочный магниевый чугун (ВЧ60-8). Химический состав: 3,4-3,6%С; 1,8-2,2%Si; 0,96-1,2% Mn; 0,01-0,63%Mg; ≤0,01%S; ≤0,06%Р. Микроструктура состоит из сфероидных частиц графита, окруженных ферритом, который наблюдается в виде светлых участков. Основной (темный) фон микроструктуры составляет перлит. |
Похожие:
 | ... |  | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Лабораторная работа Выполнение расчетов с использованием программирования в среде Visual Basic for Applications (vba). 8 | | Лабораторная работа №8. Структурирование таблицы с автоматическим подведением итогов |
| Целью работы является изучение возможностей субд microsoft Access 2007 по созданию и ведению баз данных | | Целью работы является изучение возможностей субд microsoft Access 2007 по созданию и ведению баз данных |
| Исследование волокон и волокнистых материалов /^Исследование металлов, сплавов, металлических изделий | | Семинар «Методология проведения химико-токсикологического анализа (хта). Направленный и ненаправленный хта. Вещественные доказательства.... |
| Лабораторная работа №6 (статические массивы, знакомство с графическим режимом. Возможно будет изменена) 49 | | Задания на экзамен выполняются студентом в компьютерном классе при наличии конспектов под руководством преподавателя |