Програма підготовки до виконання роботи

1. Вивчити теоретичний матеріал за цим посібником та приведеною нижче навчальною літературою.

2. Зарисувати криві нагрівання і охолодження чистого заліза.

3. На міліметровому папері зарисувати діаграму стану залізо-цементит (залишаючи праворуч місце для побудови чотирьох кривих охолодження) і вказати на ній основні точки, лінії і області.

4. Розглянути і записати означення основних фаз (вказавши концентрацію вуглецю в них) і структурних складових залізовуглецевих сплавів.

5. Записати реакції, що відбуваються при охолодженні сплавів на ізотермах HJB, ECF і РSK і пояснити їх.

Література

1. Атаманюк В.В. Технологія конструкційних матеріалів: Навч. посібник для вищих навчальних закладів. – К.: Кондор, 2006. – С. 178 –195.

2. Технология металлов и материаловедение / Под ред. Л.Ф. Усовой.  М.: Металлургия, 1987.  С. 155 –169.

3. Мозберг Р.К. Материаловедение. – М.: Высш. шк., 1991.  С. 152 – 160.

Завдання й методичні вказівки

1. Для заданих викладачем сплавів побудувати криві охолодження (нагрівання) і перевірити правильність їхньої побудови за правилом фаз.

2. Описати перетворення, що відбуваються при охолодженні цих сплавів в температурному інтервалі 1600 – 600°С.

3. Визначити склад і вагову кількість (%) фаз (структурних складових) при температурах, вказаних викладачем.

Контрольні запитання

1. Дати означення і характеристику основних фаз і структурних складових залізовуглецевих сплавів.

2. Схарактеризувати алотропію заліза.

3. Використовуючи діаграму стану залізо-цементит схарактеризувати перетворення, що відбуваються при нагріванні або охолодженні доевтектоїдної, евтектоїдної і заевтектоїдної сталей, а також доевтектичних, евтектичних і заевтектичних чавунів в температурному інтервалі 20 - 1600˚С.

Лабораторна робота № 11. Вивчення мікроструктур вуглецевих сплавів у рівноважному cтані

Мета: Вивчити мікроструктуру технічного заліза, вуглецевих сталей і чавунів у рівноважному стані.

Обладнання, матеріали та інструменти

Металографічний мікроскоп МІМ-7 або МІМ-8, мікрошліфи досліджуваних сталей і чавунів у рівноважному стані.

Короткі теоретичні відомості

Структура залізовуглецевих сплавів у рівноважному стані залежить від концентрації вуглецю, на що вказує діаграма стану FeFe₃C (рис. 10.1), відповідно до якої всі залізовуглецеві сплави діляться на три групи: технічне залізо, сталі і чавуни.

Технічне залізо містить не більше 0,02% вуглецю і може бути як однофазовим, так і двофазовим сплавом.

Структура сплаву з мінімальним вмістом (до 0,01%) вуглецю (технічно чисте залізо)  ферит (рис. 11.1, а). Ферит має зернисту будову. Незначне збільшення кількості вуглецю в ньому, навіть до 0,01%, унаслідок його незначної розчинності в -Fe (до 0,006% при 18?С) викликає утворення другої фази  цементиту.

Рис. 11.1. Мікроструктура технічного заліза: а – ферит; б – ферит і цементит третинний

При вмісті вуглецю приблизно до 0,015% цементит присутній в структурі у вигляді відносно невеликої кількості третинного цементиту, що виділяється із фериту при охолодженні внаслідок зменшення розчинності вуглецю в -Fe. Третинний цементит розміщується головним чином на границях зерен фериту (рис. 11.1, б), що знижує пластичність і в’язкість сталі. Збільшення концентрації вуглецю понад 0,015% викликає утворення перліту  двофазової структури (ферит + цементит) із сумарним вмістом вуглецю 0,8%. При цьому в сталі із концентрацією вуглецю до 0,1…0,15% ще зберігаються вкраплення третинного цементиту. Кількість перліту зростає пропорційно збільшенню вмісту вуглецю (рис. 11.2) і відповідно зменшується кількість надлишкового фериту.

Рис. 11.2. Мікроструктури доевтектоїдних сталей із вмістом вуглецю:

а – 0,18 %С; б – 0,50 %С; в – 0,70 %С х 600

За мікроструктурою з достатньою для практичних цілей точністю легко визначити концентрацію вуглецю у відпаленій доевтектоїдній сталі.

Приймаючи ферит (практично) за чисте залізо, можна вважати, що весь вуглець у доевтектоїдній сталі знаходиться в перліті. Тому для того, щоб підрахувати концентрацію вуглецю в доевтектоїдній сталі, потрібно визначити площу, що займається перлітом (%), і помножити її на 0,8 (оскільки в перліті міститься 0,8% вуглецю):

С= F_n х 0,8/100%,

де F_n - відносна площа, зайнята перлітом, %.

Наприклад, якщо на досліджуваному полі шліфу перліт займає приблизно 25% площі мікроструктури, то концентрація вуглецю в цій сталі біля 0,2%. Знаючи процентний вміст вуглецю, можна визначити марку сталі.

Сталь з концентрацією вуглецю 0,8% називається евтектоїдною, і її структура складається тільки із перліту.

Перліт  це евтектоїдна механічна суміш, що складається із дрібних пластинок (рис. 11.3, а) або зерен (рис. 11.3, б) цементиту, розміщених у феритній основі. В першому випадку такий перліт називається пластинчатим, у другому  зернистим.

Рис. 11.3. Мікроструктури евтектоїдної сталі: а – перліт пластинчастий;б – перліт зернистий х 1000	Рис. 11.4. Мікросруктура заевтектоїдної сталі

На мікрошліфі, протравленому 4%-ним розчином азотної кислоти в етиловому спирті, пластинчастий перліт при великих збільшеннях має чітку пластинчасту будову. Обидві фази, що входять до складу перліту (цементит і ферит), при травленні вказаним травником не забарвлюються, але оскільки цементит більш тверда складова і менше розчиняється в кислоті, ніж ферит, пластинки цементиту виступають у шліфі над феритом, і ми спостерігаємо їх під мікроскопом за чорними смужками тіні, що відбивається самою пластинкою цементиту. Окремі частинки цементиту на феритній основі можна розрізнити тільки при великих збільшеннях, при малих же їхніх збільшеннях (100…200), особливо в низьковуглецевих сталях, перліт в основному має вигляд суцільних темних зерен. У зернистому перліті цементит має форму заокруглених зернин, рівномірно розміщених в основному полі фериту (рис. 11.3, б).

Механічні властивості перліту залежать від ступеня подрібнення цементиту. Звичайний пластинчастий перліт має границю міцності _в = 820 МПа і відносне видовження  = 15%, а грубо пластинчастий – _в = 550 МПа і  = 5%. Твердість пластинчастого перліту рівна НВ 200…250, а зернистого  НВ 160…220.

Сталі, в яких концентрація вуглецю більша за 0,8% називаються заевтектоїдними. Структура в цих сталях складається із перліту і цементиту вторинного (рис. 11.4). Цементит вторинний звичайно розміщений в заевтектоїдній сталі у вигляді світлої сітки або світлих витягнутих зерен (ланцюжка) по границях перлітних зерен (рис. 11.4).

Кількість цементиту вторинного в структурі заевтектоїдної сталі зростає зі збільшенням концентрації в них вуглецю і складає від 3,4 % (при С = 1%) до 20,4% (при С = 2%) всієї маси сплаву. Якщо відома концентрація вуглецю, кількість цементиту вторинного в сталі можна визначити за діаграмою стану залізо-цементит, користуючись правилом відрізків. Навіть незначна кількість цементиту вторинного в мікроструктурі заевтектоїдної сталі призводить до значного підвищення її твердості і зниження пластичності порівняно з евтектоїдною.

В заевтектоїдній сталі кількість вуглецю (С) визначають за формулою:

С = (0,8 х F_п/100) + (6,67 х F_ц/100),

де F_п і F_ц - відносні площі шліфу, що займаються перлітом і цементитом, %, відповідно.

У доевтектоїдних сталях з великим вмістом вуглецю ферит може виділятися у вигляді тонкої сітки з окремими місцевими потовщеннями по границях зерен перліту, тоді як сітка цементиту має рівномірну товщину. Цементит від фериту можна відрізнити за допомогою травлення мікрошліфу лужним розчином пірата натрію. У цьому випадку цементит темніє, а ферит залишається світлим.

Залізовуглецеві сплави, що містять вуглецю більше 2,14%, називаються чавунами. За хімічним складом чавуни відрізняються від сталі високим вмістом вуглецю (більше 2,14%) і постійних домішок (S, P, Si, Mn). Порівняно зі сталями чавуни мають нижчі механічні властивості, але значно кращі технологічні (ливарні, оброблюваність різанням, антифрикційні властивості, зносостійкість тощо). Це зумовлює широке використання чавуну для виготовлення багатьох деталей у різних галузях життєдіяльності людини.

Залежно від стану вуглецю в чавуні розрізняють білі чавуни, в яких вуглець перебуває у зв'язаному вигляді – у вигляді цементиту, і сірі чавуни, в яких вуглець перебуває у вільному стані - у вигляді графіту.

Структурний стан білих чавунів залежить від вмісту вуглецю і відповідає діаграмі рівноважного стану Fe - Fe₃C (див. рис. 10.1). За структурою їх поділяють на доевтектичні (2,14…4,3% С), евтектичні (4,3% С) і заевтектичні (4,3%...6,67% С) (рис. 11.5)

Рис. 11.5. Структури доевтектичного (а), евтектичного (б) та

заевтектичного (в, г) чавунів, х100

Структуру доевтектичних білих чавунів складають перліт, ледебурит ІІ і вторинний цементит. Металографічно перліт спосте­рігається у вигляді темних зерен, цементит – світлих смуг, а леде­бурит ІІ – у вигляді ділянок з темними вкрапленнями (суміш дрібних округлих темних зерен перліту, рівномірно розподілених у білій основі цементиту).

Евтектичний чавун має структуру ледебуриту ІІ рівномірної механічної суміші перліту і цементиту.

Заевтектичний чавун характеризує структура, що складається з первинного цементиту і ледебуриту ІІ.

Одержанню таких структур сприяє підвищений вміст у чавуні марганцю, зменшений вміст кремнію і збільшення швидкості охолод­ження під час тверднення. Наявність у структурі білого чавуну твердих цементиту і ледебуриту зумовлює їхню високу твердість і крихкість та дуже ускладнює обробку різанням. Тому використання білих чавунів у машинобудуванні обмежене. Використовують їх для виготовлення шроту і зірочок для очистки литва, куль дробильних агрегатів. В основному ж білі чавуни переробляють на сталь або шляхом спеціальної термічної обробки (графітизуюче відпалюван­ня) на ковкий чавун.

Структура сірих, ковких і високоміцних чавунів складається з металевої основи, пронизаної графітовими вкрапленнями. Мета­лева основа таких чавунів може бути перлітною, феритною і ферито-перлітною. Вона зумовлює характеристики твердості, міцності, зно­состійкості. Такі ж характеристики, як пластичність, опір руйнуван­ню при розтягуванні, опір спрацюванню, залежать передусім від форми, розмірів і характеру розподілу графітових вкраплень.

Розрізняють три основні форми графітових вкраплень (фаз): пластинчасту, пластівчасту та кулясту.

Сірі чавуни. Їм притаманна пластинчаста форма графіту, який можна розглядати як тріщину чи надріз, що створює концентрацію напружень у металевій матриці та різко знижує характеристики міцності чавуну. Сірий чавун - найдешевший конструкційний матеріал. У виробництво надходить у вигляді виливків, має високі ливарні властивості, добре оброблюється різанням, чинить опір зно­шуванню, здатен розсіювати коливання при вібраційних і змінних навантаженнях (у 2... 4 рази вище за сталь).

Сірі чавуни одержують при введенні до розплаву чавуну речовин (графітизаторів), що сприяють розпаду цементиту і виділенню вугле­цю у вигляді графіту. Графітизатором сірого чавуну є кремній. При введенні приблизно 5% кремнію цементит сірого чавуну майже повністю розпадається (перетворюється), утворюючи структуру з пластичної феритної основи і вкраплень пластинчастого графіту (рис. 11.6, а). При змен­шенні кількості кремнію цементит перліту розпадається частково, утворюючи ферито-перлітну структурну основу чавуну. Подальше зменшення вмісту кремнію призводить до формування структури сірого чавуну на перлітній основі. Найміцнішими є сірі чавуни на перлітній основі, а найбільш пластичними – на феритній.

Рис. 11.6. Структури сірого чавуну з феритною (а),

ферито-перлітною (б) і перлітною (в) основами, х200

Промисловість випускає такі марки сірих чавунів: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧЗО, СЧ35, СЧ40, СЧ45. При маркуванні сірих чавунів літери СЧ означають – чавун сірий, а цифри – мінімальне значення границі міцності при розтягуванні (σ_в, кгс/мм2).

Залежно від рівня фізико-механічних характеристик сірі чавуни умовно можна поділити на чавуни малої та підвищеної міцності і чавуни зі спеціальними властивостями.

Сірі чавуни малої міцності мають феритну або ферито-перлітну структуру з пластинчастим графітом і відповідають маркам від СЧ10 до СЧ30. Наприклад, при розтягуванні границя міцності чавуну СЧ25 σ_в = 250 МПа, твердість НВ 180...250.

Сірий чавун підвищеної міцності відповідає маркам від СЧ35 до СЧ45, має перлітну металеву основу і більш тонку розгалужену пелюсткову форму графіту. Міцність таких чавунів σ_в = 350...450 МПа, твердість НВ 200...289.

Міцність цих чавунів забезпечують легуванням і модифікуванням. Легування здійснюють присадкою невеликої кількості нікелю і хрому, молібдену з титаном або міддю. При цьому одержують дрібно­зернисту структуру і більш тонку форму графіту. Модифікування здійснюють добавками (0,1...0,3 % від маси чавуну) феросиліцію, сілікоалюмінію, сілікокальцію та іншими. Їх додають безпосередньо у ківш під час його заповнення розплавом. Структура такого чавуну не містить ледебуритного цементиту, чавун твердне з відбілюванням (білий або половинчастий), хімічний склад чавуну лишається прак­тично незмінним. Модифікований рідкий чавун потрібно одразу розливати у ливарні форми, оскільки ефект модифікування зникає вже через 10... 15 хв.

У машинобудуванні з сірих чавунів СЧ10, СЧ15 виготовляють деталі для низьких і середніх статичних навантажень (станини верстатів, кришки люків, подушки опор тощо); з чавунів СЧ20, СЧ25 – для підвищених навантажень динамічної дії (картери двигунів, блоки циліндрів, поршні, станини); СЧЗО, СЧ35, СЧ40 – для високих навантажень і зношування (розподільні вали, зубчасті колеса, гільзи блоків циліндрів, гальмівні колодки).

Ковкі чавуни. Це умовна назва більш пластичного, порівняно з сірим, чавуну. Його ніколи не кують. Одержують його шляхом трива­лого високотемпературного відпалювання виливків білого чавуну з перліто-цементитною структурою. Під час графітизуючого відпалювання цементит білого чавуну розпадається, утво­рюючи графіт пластівчастої форми (рис. 11,7, а, б). Залежно від структури металевої основи розрізняють ковкі феритний і перлітний чавуни.

Рис. 11.7. Структури ковкого (а, б) і високоміцного (в, г) чавунів, х200

Феритні ковкі чавуни одержують з білих, які мають у своєму складі 2,4...2,8 % С; 0,8...1,4 % Sі; 0,3...0,4 % Мn; 0,08... 0,1 % 8; < 0,2 % Р.

Перлітні ковкі чавуни виготовляють з білих, які містять 2,8... 3,4 % С; 0,5...0,8 % Sі; 0,4...0,5 % Мn; 0,12 % 8 ; 0,2 % Р.

Залежно від показників міцності при розтягуванні (σ_в) і віднос­ного видовження (δ) ковкі чавуни розрізняють за марками: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12 - це феритні чавуни; КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ63-2 - перлітні.

З ковких чавунів виготовляють високоміцні деталі для змінних і ударних навантажень, підвищеного спрацювання, наприклад, шес­терні, шатуни, картер заднього мосту, гальмівні колодки, ступиці, гачкові ланцюги, пальці різальних апаратів тощо. Антикорозійні властивості ковких чавунів досить високі при експлуатації в сере­довищі вологого повітря, води тощо. Вони широко засто­совуються у сільськогосподарському, автомобільному, текстильному машинобудуванні.

Високоміцні чавуни – це різновид сірого чавуну з феритною або перлітною структурою, модифікованого магнієм або комплексними модифікаторами (магній з добавками силіцію та інші). У результаті модифікування одержують графіт кулястої форми і невеликих роз­мірів (рис. 11.7, в, г). Такі чавуни мають підвищену міцність і порів­няно з сірими чавунами здатні чинити опір крихкому руйнуванню. Вони мають феритну або перлітну структуру металевої основи.

Залежно від границі міцності (σ_в) і відносного видовження (δ) високоміцні чавуни поділяють на такі марки: ВЧ38-17, ВЧ42-12, ВЧ45-5, ВЧ50-2, ВЧ60-2, ВЧ70-3, ВЧ80-3, ВЧ100-4, ВЧ120-4.

Діапазони зміни властивостей цих марок такі: σ_в = 380...1200 МПа, δ = 2...7%, твердість НВ 140...369.

Високі механічні властивості цих чавунів дозволяють використовувати їх для виготовлення деталей машин, що працюють за умов значних навантажень, замість поковок і виливків із сталей. З високоміцного чавуну виготовляють деталі ковальсько-пресового обладнання, прокатних станів, парових турбін, тракторів, автомобілів (колінчасті вали, поршні тощо).