Материаловедение. Часть 1

УДК 669.017 
МЗЗ 

Р е ц е н з е н т 
кандидат технических наук^.^. Педос 

Материаловедение. Ч. 1: Лаб практикум / Под ред. В.П. Канева. 
МЗЗ 
- М.: МИСиС, 2004. - 143 с. 

Лабораторный практикум содержит 14 работ но общим и специальным 
курсам металловедения и термической обработки. 

Цель практикума - привить студентам навыки распознавания макро- и 
микроструктуры сталей и сплавов, определения их характеристик (состава, 
критических точек, прокаливаемости, механических свойств), проведения 
термической и химико-термической обработки. 

В пособии дается описание приборов и образцов, методов определения 
характеристик и обработки результатов эксперимента, приемов безопасной 
работы. 

Даются контрольные вопросы для проверки усвоения материала курсов. 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (Технологический 
университет) (МИСиС), 2004 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение 
4 

Лабораторная работа 1. Структура отожженной 
углеродистой стали 
5 

Лабораторная работа 2. Контроль химического состава стали 
10 

Лабораторная работа 3. Выявление химической 
макронеоднородности стали 
22 

Лабораторная работа 4. Влияние термической обработки на 
микроструктуру и свойства перегретой стали 
27 

Лабораторная работа 5. Влияние термической обработки на 
микроструктуру и твердость холоднодеформированной стали 
33 

Лабораторная работа 6. Влияние термической обработки на 
механические свойства конструкционной стали 
41 

Лабораторная работа 7. Влияние термической обработки на 
структуру и твердость инструментальной стали 
47 

Лабораторная работа 8. Механические свойства и структура 
сварного шва и околошовной зоны 
56 

Лабораторная работа 9. Влияние температуры и времени 
цементации на глубину цементованного слоя 
70 

Лабораторная работа 10. Структура слоя после различных видов 
химико-термической обработки 
76 

Лабораторная работа 11. Изучение структуры цветных сплавов 
98 

Лабораторная работа 12. Металлографическое определение 
содержания неметаллических включений в стали 
104 

Лабораторная работа 13. Анализ причин дефектов макро- и 
микроструктур 
119 

Лабораторная работа 14. Установление причин 
разрушения детали 
130 

Приложения 
140 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

Практикум является переработанным и дополненным изданием пособий к лабораторным работам, изданных в разные годы на кафедре металловедения и физики прочности МИСиС {Паисов КВ. Пособие к лабораторным работам. М.: Металлургия, 1968; Термическая 
обработка /Под ред. М.А. Штремеля. М.: МИСиС, 1975; Теория термической обработки /Под ред. М.А. Штремеля. М.: МИСиС, 1982; 
Специальные стали / Под ред. М.А. Штремеля. М.: МИСиС, 1987). 

В практикуме изложены методики лабораторных работ по 
металловедению и термической обработке, характер и содержание 
которых соответствуют учебным программам по общим и специальным курсам. 

Лабораторный практикум должен дать студентам возможность практически освоить основные виды термической и химикотермической обработки стали, чугуна и других сплавов, получить 
навыки выполнения различных операций при термической обработке, при последующем контроле и изучении строения и свойств металлов; научить студентов устанавливать закономерности изменения 
строения и свойств металла в процессе термической и химикотермической обработки, анализировать полученные экспериментальные данные, представлять их графически и в таблицах, в виде зарисовок структур и изломов, а также составлять отчеты, делать выводы 
и заключения по экспериментальным и литературным данным. 

Работы 12-14 выполняются студентами по индивидуальным 
заданиям. 

Работы написаны преподавателями кафедры металловедения и 
физики прочности: проф. Андрюшечкиным В.И. - работа 10; доц. Астафьевой Е.В. - работы 12-14; доц. Карабасовой Л.В. - работа 8; 
проф. Крупипым Ю.А. - работа 11; доц. Медведевым В.В. - работа 3; 
|проф. Паисовым И.В.| и доц. Капевым В.П. - работы 1,2,4 - 7, 9. 

4 

Лабораторная работа 1 

СТРУКТУРА ОТОЖЖЕННОЙ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ 

(2 часа) 

1.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 

Изучение структуры отожженной углеродистой стали с различным содержанием углерода. Определение содержания углерода 
по структуре. 

Получение навыков работы на микроскопах (ЕС МЕТАМ РВ-22, 
МИМ-7, НЕОФОТ-21). 

1.2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ 

При комнатной температуре все сплавы системы Ее С (кроме сплавов с 0,008 % С) состоят из двух фаз - феррита и цементита 
(см. рисунок). 

/6£'ff 

500 

О 
0,5 
;,0 
7,5 
2,0 
2,5 
3,0 
3,5 
4,0 
И,5 
5,0 
Fe 
Соде/ма^ие,%масс. 
С 

Диаграмма состояния Fe - С 

5 

Структура сплавов железо-углерод, образующаяся при медленном охлаждении из области у- твердого раствора, соответствует 
равновесной диаграмме состояния. 

Структура стали с содержанием углерода < 0,018 % состоит 
из кристаллов феррита, по границам зерен которого в процессе охлаждения в соответствии с уменьшением растворимости углерода по 
линии PQ произошло выделение третичного цементита. Цементит по 
границам зерен различим при увеличении 400 - 600 раз, а особенно 
при травлении щелочным раствором пикрата натрия. 

В металле или в однофазном сплаве, которым является феррит, микроструктура может различаться лишь величиной зерна, его 
формой и ориентировкой. Эти факторы не являются совершенно независимыми, но в совокупности влияют на свойства. 

При содержании углерода > 0,018 % появляется травящийся в 
темный цвет эвтектоид - перлит, состоящий из плотно прилегающих 
одна к другой пластинок феррита и цементита. Количество перлита с 
увеличением содержания углерода возрастает вплоть до эвтектоидной 
точки, соответствующей 0,8 % С. В сплавах с низким содержанием 
углерода феррит и перлит присутствуют в виде зерен. При среднем 
содержании углерода феррит располагается вокруг перлита в виде 
почти непрерывной сетки по границам прежних аустенитных зерен. 
При дальнейшем увеличении содержания углерода сетка становится 
все более прерывистой, пока, наконец, от нее не остаются лишь отдельные небольшие участки феррита. При содержании углерода 0,8 % 
структура становится чисто перлитной. Перлит состоит из смеси феррита и цементита в соотношении [Ф]: [Ц] » 1:8. Пестрый вид пластинчатого перлита под микроскопом получается в результате того, что 
в рельефе шлифа цементит выступает над ферритом, а рельеф получается в результате разной полируемости феррита и цементита. 

Выше 0,8 % С наряду с перлитом в структуре появляется заэвтектоидный (вторичный) цементит, выделяющийся в виде тонкой 
сетки по границам аустенитных зерен. С увеличением содержания 
углерода цементитная сетка утолщается, пока при содержании углерода > 1,7 % в структуре не появится эвтектика - ледебурит. 

По структуре стали можно с достаточной степенью точности 
определить содержание в ней углерода; в доэвтектоидной стали таким критерием служит количество перлита, в заэвтектоидной стали толщина цементитной сетки; последняя позволяет оценить содержание углерода лишь приблизительно. Необходимым условием для определения состава стали по ее структуре является медленное охлаж
6 

дение из аустенитной области, так как при повышенной скорости 
охлаждения соотношение между структурными составляющими может существенно измениться. 

Структура пластинчатого перлита не отвечает состоянию с минимальным значением поверхностной энергии. Если нагревать сталь 
при температуре немного ниже точки Ai, то цементитные пластинки, 
стремясь уменьшить свою поверхность, будут превращаться в зерна. 
Процесс такого превращения осуществляется путем растворения цементита в местах с более высоким значением поверхностной энергии. 

Возникает структура зернистого перлита, соответствующая 
состоянию максимальной мягкости стали. При очень медленном охлаждении коагуляция цементита может происходить непосредственно вслед за эвтектоидным превращением. 

После длительного отжига при 700...650° С или при медленном охлаждении сплава (4...6ч) цементитные пластинки коалесцируют и принимают округлую форму. 

В структуре стали с зернистым перлитом (получается в стали 
с содержанием углерода > 0,6 %) содержание углерода можно определить методами количественной металлографии. 

Для получения высоких механических свойств после закалки 
в отожженной заэвтектоидной стали должна быть получена структура, состоящая из зернистого цементита, расположенного на ферритном фоне. 

В заэвтектоидных сталях в результате длительного нагрева 
ниже точки ^1 происходит более или менее полная коагуляция также 
и цементитной сетки, если она не была слишком большой толщины. 

Равномерное распределение зерен цементита в структуре 
стали, отожженной на зернистый перлит, не дает возможности определить содержание углерода в стали с той же достоверностью, как 
это можно сделать при наличии в структуре пластинчатого перлита. 

В сталях с содержанием углерода от 0,018 % - 0,15 % в результате медленного охлаждения от температуры выше линии превращения часто наблюдают обособление структурных составляющих 
перлита, заключающееся в том, что при эвтектоидном распаде значительная часть феррита кристаллизуется вокруг выделений доэвтектоидного феррита, в то время как цементит выделяется в виде широких 
полос по границам зерен. Такое обособление структурных составляющих носит название «вырожденного перлита». Поскольку наличие 
грубых выделений цементита по границам зерен приводит к появлению внутренних надрывов при холодной пластической деформации, 

7 

образование такой структуры следует считать вредным, если сталь 
предназначена для холодной обработки давлением. В равной степени 
такая структура способствует возникновению хрупкого разрушения 
при многоосном нагружении и особенно в случае действия ударных 
нагрузок. Путем отжига при температуре ниже точки Аг «испорченный» перлит, аналогично вторичному цементиту, выделяющемуся 
при охлаждении по границам зерен, поддается коагуляции с большим трудом. Исправить «испорченную» структуру можно лишь нагревом стали выше точки А^ и последующим охлаждением с повышенной скоростью. 

Свойства структурных составляющих отожженных сталей в 
относительно равновесном состоянии приведены в таблице. 

Механические свойства структурных составляющих сталей 

Структурные составляющие 

Феррит 
Цементит 
Перлит (пластинчатый) 
Зернистый перлит в эвтектоидной стали 

Свойства 

твердость, НВ 

50-90 

750 - 820 
190-230 
160-190 

ав, МПа 
186-245 

30 

843 - 882 
637-686 

V|/,% 
60-75 


10-15 
18-25 

5,% 

40-50 


9-12 
18-25 

1.3. ОПИСАНИЕ ПРИБОРОВ И КОЛЛЕКЦИИ 
ОБРАЗЦОВ 

Металлографические микроскопы ЕС МЕТАМ РВ-22, МИМ-7, 
НЕОФОТ-21 со сменной оптикой. Коллекция шлифов углеродистых 
отожженных сталей с содержанием углерода 0,03 - 1,3 %. Альбом 
структур углеродистых сталей после различных режимов термической 
обработки. 

1.4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ 

Изучают коллекцию микроструктур углеродистых отожженных статей. 

Идентифицируют неизвестные шлифы, делают по ним заключение с оценкой содержания углерода. 

1.5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ 

Зарисовать и описать структуру полученных образцов, оценить содержание в них углерода. 

8 

1.6. ТРЕБОВАНИЯ к ОТЧЕТУ 

Отчет должен содержать: 
- цель работы и теоретическое введение; 
- характеристику структуры отожженных углеродистых сталей и условий ее получения; 

- результаты изучения коллекции шлифов углеродистых сталей представляются (зарисовка структуры, описание ее особенностей, оценка содержания углерода, размеров и распределения структурных составляющих); 

- выводы. 

1.7. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 

Новиков И.И. Теория термической обработки металлов: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 480 с. 

Гольдштейн М.И., Грачев СВ., ВекслерЮТ. 
Специальные 
стали: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 
1999. 408 с. 

Металлография железа. Т.1 /Пер. с англ. М.: Металлургия, 
1972. 246 с. 

1.8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 

1. Как классифицируются углеродистые стали по структуре? 
2. Как различаются разные баллы структурносвободного 
цементита в низкоуглеродистой стали? 

3. От чего зависит штампуемость малоуглеродистой стали? 
4. Чем отличается структура доэвтектоидной отожженной 
стали от структуры нормализованной? 

5. Какая структура формируется в доэвтектоидной стали при 
неполном отжиге? 

6. Край микрофотографии на длине 48 мм проходит по ферриту и 72 мм по перлиту. Сколько углерода в стали? 

7. Когда больше разрешающая способность оптического микроскопа - в желтом монохроматическом или зеленом свете? 

8. Существует ли различие в морфологии сорбита, полученного патентированием или улучшением стали 60? Если да, то в чем? 

9. При каком размере частиц сталь У8 со структурой зернистого перлита можно прокатать до больших обжатий: при 0,3 мкм или 
0,5 мкм? 

9 

Лабораторная работа 2 

КОНТРОЛЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СТАЛИ 

(2 часа) 

2.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 

Определение химического состава стали неизвестных образцов спектральным методом и марки 
стали из известного набора 
структурным методом и методом сравнения по искре. 

2.2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ 

Химический состав сталей в полуфабрикатах или деталях 
чаще всего проводится при входном контроле или арбитражном разбирательстве. При определении химического состава металлопродукции руководствуются соответствующими ГОСТами. Для углеродистых сталей в готовом прокате ГОСТ 1050-74 допускает следующие отклонения от норм по химическому составу (%): по углероду 
± 0,01; для спокойной стали по кремнию ± 0,02; по марганцу ± 0,03; 
по фосфору не более + 0,005. В готовом прокате из легированных 
сталей в соответствии с ГОСТ 4543-71 допускаются следующие отклонения по химическому составу (табл. 2.1). 

Таблица 2.1 

Допустимые отклонения но содержанию химических элементов 
в легированной конструкционной стали 

Элемент 

Углерод 
Алюминий 

Кремний 

Титан 

Хром 

Ванадий 

Марганец 

Никель 

Молибден 
Вольфрам 

Содержание элемента, % 

<1 
>1 
<1 
>1 
0,06-0,12 
0,10-0,18 
<1 
>1 
<2,5 
>2,5 

Допустимое отклонение, % 

+ 0,01 
+ 0,10 
+ 0,02 
+ 0,05 
+ 0,02 
+ 0,02 
+ 0,05 
+ 0,02 
+ 0,02 
+ 0,02 
+ 0,05 
-0,05 
-0,10 
+ 0,02 
+ 0,05 

10 

в заводской практике широко распространены технологические 
(оперативные) методы массового контроля состава стали, к которым 
относятся: проба на искру, спектральный и микроскопический анализы. 

В основе этих методов лежат различные явления, каждый из 
них может использоваться отдельно, а в совокупности данные методы дополняют информацию об анализируемом объекте. 

Спектральный анализ. Оптический эмиссионный спектральный анализ основан на возбуждении оптического спектра электрической дугой или искрой и разложении его в видимой области. В 
производственном контроле используют стационарные и переносные 
стилоскопы (СЛ-12, «Спектр», СЛП-1М), спектрографы (ИСП-30, 
ИСП-51) и фотоэлектрические стилометры (спектрометры) (ФЭС-1, 
МФС-4, МФС-6). В зависимости от способа измерения и регистрации 
возможно проведение качественного и количественного анализа химического состава сталей и сплавов. Интервал определяемых концентраций 0,001 - 5 %. 

В частности, на стилоскопе можно определить в стали легирующие элементы (Сг, W, V, Мп, Мо, Ni); углерод, серу и фосфор на 
стилоскопе не определяют. Получаемые на стилоскопе результаты не 
претендуют на высокую точность; установка предназначена для таких анализов, при выполнении которых на первом плане стоит скорость анализа, например в случае определения марки стали. 

Исследование микроструктуры. Металлографический анализ - традиционный, широко распространенный и весьма доступный 
метод оценки качества металлических изделий. Накопленный практикой опыт металлографических исследований, разработка многочисленных специальных методик для анализа различных элементов 
макро- и микроструктуры и установления их корреляционной связи с 
эксплуатационными свойствами делают его сегодня незаменимым с 
точки зрения установления истинного структурного состояния анализируемого объекта. В связи с этим металлографический анализ единственно надежный метод в арбитражных анализах качества и 
рекламационных исследованиях. Второй не менее важной областью 
металлографической оценки качества является оперативный или текущий контроль. Под этим видом контроля следует понимать анализ 
типичных образцов-свидетелей или представительных деталей от 
заданной партии по количественно-временному параметру. 

Проба на искру. Искровая проба основана на том, что образцы из разных сталей при соприкосновении с вращающимся абразивным кругом дают различные по форме, виду звездочек и окраске 

11