Атлас макро - и микроструктур металлов и сплавов
Болховитинов Н.Ф., Болховитинова Е.Н.
Металлургия, 1956 г.
§ 1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МИКРОСТРУКТУРЫ СТАЛИ И ЧУГУНА
Феррит. Микроструктура феррита как твердого раствора углерода, марганца, кремния, фосфора, хрома и других элементов в а-железе состоит из светлых зерен (фиг. II). Лучшим реактивом для травления феррита является 4%-нын раствор азотной кислоты в спирте. Четкое выявление границ зерен получается после ряда повторных панировок, сопровождаемых травлением.
Аустенит. Микроструктура аустенита как твердого раствора углерода и других элементов в ^-железе (фиг. 12) состоит из светлых зерен с характерными двойниками.
Для лучшего выявления микроструктуры аустенита рекомендуется при изготовлении микрошлифов применять электролитическое полирование и электролитическое травление.
Цементит. Микроструктура цементита как химического соединения железа с углеродом FeaC (содержащего 0,67% С) или твердого раствора железа и других элементов на его основе имеет светлый выпуклый вид, например, выделившийся в виде сетки и игол из аустенита вторичный цементит (фиг. 13) в неотожженпой (сырой) высокоуглеродистой (заэвтектоидной) стали. При травлении обычными реактивами, ввиду химической стойкости цементита, он слабо разъедается и имеет так же, как и феррит, светлый вид. Отличить его от феррита можно или по его высокой твердости, или путем травления пикратом натрия, который окрашивает цементит в темный цвет (при этом феррит не окрашивается).
Цементит также наблюдается в структуре в виде полос первичного цементита (фиг. 14,а), выделившегося из жидкого сплава,
и в форме мелкой сетки или частичек третичного цементита (фиг. 11,6), выделившегося из феррита.
Перлит. Эвтектопд, состоящий из мелких различной величины пластинок цементита, расположенных в феррите, называется пластинчатым перлитом (фиг. 15). В случае, если цементит расположен в виде мелких зерен цементита различной величины в феррите, то такая структура называется зернистым перлитом (фиг. 16). В чистых сплавах железа с углеродом перлит содержит 0,8% С. В сталях и чугуиах, содержащих кремний, марганец и другие элементы, перлит содержит меньше углерода. Пластинки и зерна цементита своеобразно отражают свет, и поверхность протравлен' ного микрошлифа напоминает перламутр, что дало основание назвать эту микроструктуру перлитом.
Особенно хорошо пластинки цементита в перлите можно наблюдать под электронным микроскопом (фиг. 17), где ясно видны тонкие пластинки цементита, наклоненные под углом к поверхности микрошлнфа.
Весьма хорошим реактивом, обеспечивающим равномерное и четкое выявление структуры перлита, является 5%-й раствор пикриновой кислоты в этиловом спирте, который хороню растворяет феррит, не загрязняет его продуктами травления, а на цементит почти не оказывает воздействия.
Ледебурит. Ледебурит, или цементитная эвтектика, состоит в момент образования из выделений аустенита, расположенных
в-цементите, а после охлаждения ниже An — из выделений перлита в цементите (фиг. 18).
§ 2. МАКРО- И МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
Влияние углерода. Микроструктура медленно охлажденной (после прокатки или отжига, пли после нормализации) стали, содержащей до 0,8% С, состоит из феррита и перлита. Сталь с 0,1% С имеет очень много светлых участков структуры — феррита, а темных -- перлита - -весьма мало (фиг. 19, а). С увеличением в стали до 0,2% С количество феррита начинает уменьшаться, а перлита увеличиваться (фиг. 19,6). С дальнейшим увеличением содержания в стали углерода — от 0,3 до 0,8% - - количество феррита в структуре постепенно уменьшается, а перлита возрастает (фиг. 20, а, б, 21 и 22, а). При содержании в стали 0,8% С ее микроструктура состоит из одного перлита (см. фиг. 15). У стали с содержанием углерода больше 0.8%, например при 1,2% G, прокатка которой была закончена при излишне высокой температуре, микроструктура состоит из темных зерен перлита и светлой сетки цементита (фиг. 21,6).
Эталоны микроструктуры стали [6]. Для количественной оценки микроструктуры стада ГОСТом 8233-56 установлен ряд эталонных шкал. .
Для определения количественного соотношения перлита и феррита при увеличении в 100 раз предусмотрена следующая шкала годна для оценки соотношения перлита и феррита в структуре, независимо от характера перлитных участков (пластинчатый или зернистый или смешанный) или от их дисперсности (измельченности), что устанавливается дополнительно на основании сопоставления с другими шкалами.
Дисперсность (измeльченность) пластинчатого перлита оценивается по десятибалльной шкале (фиг. 22,6).
Шкалы для зернистого и смешанного перлита приведены в разделе инструментальных сталей.
Пороки микроструктуры стали. При перегреве стали или при медленном охлаждении стального литья получается крупнозернистость (фиг. 23, а), которая сильно понижает ударную вязкость стали и повышает температуру перехода ее в хрупкое состояние. При этом феррит в микроструктуре стали может расположиться не только по границам крупных зерен, но и по кристаллографическим плоскостям самих зерен (фиг. 23,6). Такая структура носит название видманштеттовой и характеризуется весьма низкими механическими свойствами.
Крупнейшим пороком микроструктуры стали является обезуглероживание ее поверхности (фиг. 24, а), а также строчечность (фиг. 24, б), когда полосы феррита чередуются с полосами перлита.
Строчечность создает неоднородные механические свойства вдоль и поперек прокатки, ухудшает обрабатываемость стали резанием и
вызывает массовый брак при холодной штамповке. Особенно вредна строчечность, связанная с неметаллическими включениями.
Неметаллические включения. При изготовлении микрошлифов для выявления неметаллических включений при шлифовании и полировании, необходимо строго соблюдать все предосторожности, чтобы сохранить неметаллические включения и не выкрошить их. Как видно из фиг. 25, неметаллические включения бывают простые и сложные по структуре; особенно важно, являются ли они пластичными или хрупкими. Неметаллические включения опасны тем, что около них происходит концентрация напряжений и начинается разрушение металла, наиболее опасны здесь хрупкие, твердые, не поддающиеся деформациям включения, например окись алюминия , хрупкие силикаты и т. д.
Эталоны неметаллических включений [8]. Для количественной оценки наиболее распространен пых и типичных неметаллических включений ГОСТом 1778-57 предусмотрены особые шкалы их эталонов: оксиды, сульфиды, пластичные силикаты, хрупкие силикаты, глобулярные включения, точечные включения. Некоторые из них приведены на фиг. 26.
Пороки макроструктуры стали. Качество стали в значительной мере определяется ее макроструктурой, определяемой путем травления поперечных сечений (темплетов) заготовки, обжатой из слиткон на блюминге. Макроструктура стали должна быть однородной и плотной, без значительных пороков.
К числу типичных пороков макроструктуры стали (фиг. 27) относятся остатки усадочной раковины, зональная ликвация (ликвационный квадрат), пористость общая и центральная, подкорковые пузыри и флокены.
Поломки изделий вследствие пороков макро- и микроструктуры. Очень часто поломки изделий в эксплуатации и брак в производстве (закалочные трещины, недостаточная твердость, плохая обрабатываемость) обусловливаются пороками их макро- и микроструктуры.
Например: смещенная усадочная раковина вызвала продольное расслоение головки рельса (фиг. 28, а); надрыв полоски сегрегата, заполнявшего газовый пузырь, вызвал большую поперечную трещину усталости (фиг. 28,6), которая занимала большую часть сечения головки рельса, но не выходила на ее поверхность, следуя за конфигурацией головки. Волосовина (фиг. 28, в), возникшая из газового, подкоркового пузыря, заполненного сегрегатом, вызвала хрупкий поперечный налом рельса (фиг. 28, г). Флокены вызвали усталостную трещину в коленчатом вале (фиг. 29, а) и поперечную усталостную трещину в головке рельса (фиг. 29,6), которая вышла на его поверхность. Неметаллические включения, окись алюминия (глинозем), вызвали продольное расслоение головки рельса по усталостной трещине (фиг. 29, в и г). Такие поломки, как и закалочные трещины, происходят вследствие концентрации напряжений в месте пороков макро- и микроструктуры.
§ 3. МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНА
Графит. Графит в чугуне является кристаллической разновидностью углерода, обладающей гексагональной решеткой со слоистым расположением атомов или твердым раствором железа и других элементов на его основе. Под микроскопом графит имеет черный (темный) вид.
Для серого чугуна лучшими являются мелкие, завихренные включения пластинчатого графита (фиг. 30, а). Крупные и прямолинейные графитные включения (фиг. 30,6), разделяющие металлическую основу и резко понижающие предел прочности на растяжение серого чугуна, являются недопустимыми.
У высокопрочного магниевого чугуна графитные включения имеют шаровидную форму (фиг. 31,а), а у ковкого—хлопьевидную (фиг. 31, б).
Приготовление микрошлифов с графитом в структуре требует особой осторожности, чтобы не вырвать и не вымыть порошкообразного графита. Графит удобнее наблюдать на светлой металлической основе до травления.
Металлическая основа серого чугуна. После травления микроструктура серого чугуна может оказаться перлитной (фиг. 32, а), отвечающей высокой твердости, износостойкости и вместе с тем удовлетворительной обрабатываемости резанием.
Наличие феррита в металлической основе (фиг. 32, б) снижает механические свойства серого чугуна и особенно его твердость и износостойкость. Ферритная микроструктура серою чугуна (фиг. 33, а) ведет к недопустимо низкой твердости и износостойкости.
Перлито-цементитная металлическая основа чугуна (фиг. 33, б) делает чугун твердым и ухудшает его обрабатываемость режущим инструментом, а крупные выделения цементита вызывают отбел и препятствуют его обработке резанием.
Подобным же образом действуют и выделения фосфидной эвтектики в чугуне, которые очень тверды: тройная фосфидная эвтектика Fe3P— Fe3C— Fе(фиг. 34, а) и двойная Fe3P— Fe(фиг. 34,6).
Микроструктура низкоуглеродистого модифицированного чугуна.
Этот чугун до модифицирования имеет микроструктуру (фиг. 35, и), состоящую из перлита и цементита. После модифицирования чугуна смесью 75%-наго ферросилиция и алюминия его микроструктура (фиг. 35, б) состоит из мелких завихренных равномерно распределенных графитных включений в перлитной металлической основе.
Микроструктура высокопрочного магниевого чугуна. Чугун до модифицирования имеет микроструктуру серого чугуна с пластинчатым графитом (фиг. 36, а). После добавки лигатуры из магния: с 75%-ным ферросилицием его макроструктура состоит из перлита и феррита, окружающего шаровидный графит (фиг. 36,6).
Эталоны микроструктуры чугуна [9]. Для количественной оценки микроструктуры чугуна ГОСТом 3443-57 предусматривается ряд. эталонных шкал как для графитных включений, так и для металлической основы.
Количественная оценка микроструктуры отливок как из серого, так и из высокопрочного чугуна по графиту до травления и по металлической основе после травления производится буквенно-цифровыми баллами путем сравнения с эталонными шкалами.
Для графита предусмотрены шкалы: по форме — характеру распределения графитных включений в структуре (фиг. 37, а); по преимущественной их длине (фит. 37,6); по диаметру шаровидного графита (фиг. 37,в).
Для металлической основы предусмотрены шкалы: по дисперсности перлита (фиг. 38, а); по соотношению перлита и феррита в сером чугуне (фиг. 38,6); по соотношению перлита и феррита, в высокопрочном чугуне (фиг. 38, в); по соотношению цементита и перлита и по соотношению фосфидной эвтектики и перлита (фиг. 38, г).
Все эти шкалы снабжены соответствующими буквенно-цифровыми обозначениями.
Микроструктура ковкого чугуна. Микроструктура белого чугуна,, из которого путем отжига получается ковкий чугун, состоит из перлита и отдельных выделений ледебурита и структурно свободного цементита (фиг. 39, а). Отжиг при 950° с целью проведения первой стадии графитизацин (графитизации структурно свободного цементита и ледебурита) дает структуру (фиг. 39,6), состоящих из хлопьевидного графита, окруженного ферритом, и перлита. Вторая стадия графитизации (графитизация цементита, входящего-в состав перлита) происходит при 735° и дает структуру (фиг. 39, в) состоящую из хлопьевидного графита и зерен феррита. Такая структура отличается хорошей пластичностью, высоким удлинением: и вязкостью.