ФГБОУ ВПО Чувашский Государственный Университет им. И. Н. Ульянова

Электротехнический факультет ТРП.

Лабораторная работа 6 Микроструктура и свойства железоуглеродистых сплавов

Выполнил: ст. гр. ЭТ-51-11_____

___________________________

Проверил:__________________

___________________________

Г. Чебоксары 2012г.

Цель работы - исследование микроструктуры отожженных углеродистых сталей; установление зависимости структуры и твердости от содержания углерода; изучение микроструктуры белых и серых чугунов.

1. Необходимые исходные сведения

Сталь - сплав железа с углеродом с массовой долей углеро­да 0,02... 2,14%.

Основными структурными составляющими углеродистых сталей в равновесном (отожженном) состоянии при комнатной температуре являются: феррит, цементит, перлит.

Феррит Fe_a(c) - твердый раствор углерода в а-железе. Максимальная растворимость углерода в Fe_α при t=727 °С со­ставляет 0,02% (на рис. 5.1 точка Р ). При снижении температу­ры до комнатной массовая доля углерода падает до 0,006% (точ­ка Q). Кристаллическая решетка Fe_α (c) - объемно-центриро­ванный куб (ОЦК).

Феррит - мягкая и пластичная структурная составляющая: 80 MB, σ_в =25 кгс/мм², δ=50%.

Феррит с массовой долей углерода меньше 0,02% называет­ся техническим железом, или армко-железом. При исследова­нии под микроскопом феррит имеет светлый цвет, зерна одно­родные, округлые - разного размера (рис. 6.1).

Цементит Fe₃C - карбид же­леза, т.е. химическое соедине­ние углерода с железом. Он имеет высокую твердость Феррит (армкожелезо) 800 НВ, но хрупок.

В отожженных заэвтекгических сталях цементит вто­ричный располагается в виде светлой сетки вокруг зерен пер­лита (по границам бывших аустенитных зерен), а в перлите - в виде тонких пластинок вперемежку с пластинками феррита (рис. 6.2).

Перлит - тонкая механическая (эвтектоидная) смесь двух фаз — цементита и феррита.

Структура очень мелкая, поэтому при небольших увеличе­ниях отдельные пластины неразличимы и имеют вид темных пятен. Твердость перлита зависит от формы и размеров цемен- титных пластинок и находится в пределах 170...220 НВ.

По структуре после отжига стали делятся на доэвтектоид- ные (менее 0,8% С), эвтектоидные (0,8% С) и заэвтектоидные (более 0,8% С).

Заэвтектоидная сталь состоит из перлита и цементита вто­ричного эвтектоидная - из чистого перлита (рис. 6.3), доэвтектоидная - из феррита и перлита.

В зависимости от содержания углерода форма выделения свободного феррита и количественное соотношение феррита и перлита в структуре доэвтектоидной изменяются (рис. 6.4, 6.5).

Как видно на рис. 6.4, структурно-свободный феррит выде­лился целыми зернами (глобулями), а в среднеуглеродистой доэвтектоидной стали (рис. 6.5) феррит выделился в виде сетки по границам бывших аустенитных зерен вокруг перлита.

С увеличением массовой доли углерода пропорционально увеличивается и перлитная составляющая. Поскольку перлит тверже, чем феррит, то с увеличением массовой доли углерода твердость доэвтектоидной стали растет. При массовой доле 0,8% С свободный феррит из структу ры исчезает. Дальнейшее увеличение твердости отожженной углеродистой стали с массо­вой долей углерода больше 0,8% объясняется появлением и рос­том в структуре доли вторичного (свободного) цементита.

Увеличение твердости в доэвтектоидных сталях приводит к росту прочности. В заэвтектоидных сталях — рост прочности наблюдается только до достижения доли углерода 0,8-0,9%. При дальнейшем ее повышении прочность падает, так как с уве­личением доли углерода в структуре растет доля вторичного цементита, что приводит сталь к хрупкости. Твердость с ростом доли углерода растет и в заэвтектоидных сталях.

Пластичность всех сталей с ростом доли углерода снижается.

Чугун - сплав железа с углеродом, с долей углерода в преде­лах 2,14...6,67% (практическое значение имеют чугуны с 5% С).

Чугун называется белым, если весь углерод в сплаве нахо­дится в связанном состоянии в виде цементита Fe₃C , который в изломе придает чугуну матово-белый цвет.

Структурными составляющими белых чугунов являются перлит, ледебурит, цементит. Характеристики цементита и пер­лита приведены выше.

Ледебурит — эвтектиче екая смесь аустенита и цементита, образующаяся при температуре 1147 °С. Ледебурит в таком фа­зовом состоянии сохраняется до t 121 °С - до эвтектоидного превращения аустенита в перлит. Ниже этой температуры леде­бурит (при комнатной температуре) представляет собой смесь эвтектического цементита и мелких участков перлита. Доля уг­лерода в ледебурите постоянная и равна 4,3%. Строение ледебу­рита с момента образования до комнатной температуры остается неизменным.

Чугуны с долей углерода менее 4,3% называются доэвтектическими, а с долей углерода более 4,3% — заэвтектическими. В структуре всех белых чугунов (рис.6.6) присутствует ледебурит.

П ри комнатной температуре структуру доэвтектического чугуна составляют крупные зерна перлита и ледебурита, со­стоящего из эвтектического цементита (общее поле) и мелких зерен перлита. Иногда вокруг зерен перлита наблюдается сетка вторичного цементита (рис. 6.6). Эвтектический чугун пред­ставляет собой один ледебурит (рис. 6.6, б). Заэвтектический чугун состоит из крупных полосок первичного цементита и ле­дебурита (рис. 6.6, в).

Все белые чугуны твердые, хрупкие, поэтому в качестве конструкционных материалов они не применяются. Эвтектиче­ские и заэвтектические чугуны применяются для переработки в сталь, а доэвтектические - в ковкие чугуны путем длительного отжига.

Серыми называются чугуны, в которых углерод находится полностью или частично в свободном виде - в виде графита. Графит в изломе дает серый цвет, отсюда и название этой груп­пы чугунов.

Серые чугуны классифицируются:

1. по форме графитовых включений: с пластинчатым (обык­новенный серый), шаровидным (высокопрочный), хлопьевид­ным (ковкий) графитом;

п о структуре металлической основы: ферритные, феррито- перлитные, перлитные (рис. 6.7).

Структура металлической основы зависит от скорости ох­лаждения серого чугуна после первичной кристаллизации.

Твердость серых чугунов в большей степени зависит от структуры металлической основы, а прочность - как от основы, так и от формы графита. Пластинчатый графит сильно снижает прочность, как бы «изрезая» металлическую основу.

Высокопрочные чугуны имеют большую прочность, так как графит шаровидный, компактный.

Ковкий чугун имеет при повышенной прочности и повы­шенную пластичность, особенно на ферритной основе.

Обыкновенные серые и высокопрочные чугуны получаются при кристаллизации из жидкого состояния. Для сфероизации графита в высокопрочные чугуны при кристаллизации добавля­ют специальные присадки, содержащие магний или церий.

Ковкий чугун получают путем отжига доэвтектического чу­гуна, в процессе которого цементит разлагается на феррит и гра­фит в зависимости от температуры отжига: Fe₃C →Fe_a (с) +Г или Fe₃C Fe_y (с) + Г .

Серые чугуны с пластинчатым графитом производятся по ГОСТ 1412-85*; маркируются СЧ (серый чугун). Затем следуют цифры, указывающие минимальное значение прочности.

Пример: СЧ18 - серый чугун, σ_пр = 18 кгс/мм².

Высокопрочные ч>туны по ГОСТ 7293-85 маркируются ВЧ. Следующие цифры показывают: первые — временное сопротив­ление а_в, кгс/мм², вторые - относительное удлинение, %.

Пример: ВЧ70-3 - высокопрочный чугун, σ_в= 70 кгс/мм², 5 = 3%.

Ковкие чугуны по ГОСТ 1215-79* маркируются КЧ.

Пример: КЧ37-12 - ковкий чугун, σ_в = 37 кгс/мм², δ = 12%.