Metodichka_k_laboratornym_po_materialovedeniyu

Сплав IV (3,0 % С) – представляет доэвтектические белые чугуны. Пер-

вичная кристаллизация (от точки 1 до точки 2) у этого сплава происходит с об-

разованием аустенита с максимальным содержанием углерода из жидкой фазы.

Так как аустенит может растворить максимум 2,14 % С при температуре

1147 0С, а жидкая фаза содержит большее количество углерода (3,0 %), то при кристаллизации изменяется химический состав жидкой фазы – возрастает количество углерода (L3,0 → A2,14+L'4,3). Далее при температуре 1147 0С (точка 2) жидкость с эвтектическим составом превращается в ледебурит (L'4,3 → Л(А2,14+ЦI)). Затем при охлаждении от точки 2 до точки 3 происходит выделение углерода из аустенита с образованием цементита вторичного также, как для заэвтектоидных сталей (А2,14 → А'0,8+ЦII), а при температуре 727 0C (точка 3) из аустенита образуется перлит (А'0,8 → П(Ф+ЦII)). Ниже точки 3 про-

исходит физическое охлаждение структуры, состоящей из перлита, ледебурита и цементита вторичного.

Сплав V (4,3 % С) является эвтектическим белым чугуном – самым лег-

коплавким сплавом. До температуры 1147 0С жидкость физически охлаждается,

затем образуется ледебурит. Далее между точками 1 и 2 фазовые превращения происходят также, как у предыдущего сплава в интервале температур от 1147

до 727 0С. Окончательной структурой данного сплава является ледебурит, со-

стоящий из перлита и цементита, который ниже точки 2 физически охлаждает-

ся.

Сплав VI (5,0 % С) – типичный представитель заэвтектических белых чугунов. При первичной кристаллизации вместо аустенита у этого сплава выде-

ляется цементит первичный, следовательно концентрация углерода в жидком растворе уменьшается (L5,0 → ЦI+L'4,3). Затем при температуре 1147 0С (точка 2)

происходит образование ледебурита. Далее, как указано выше, из аустенита об-

разуется цементит вторичный, а затем перлит. Конечной структурой данного сплава является ледебурит и цементит первичный.

42

6 ХАРАКТЕРИСТИКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ

Углеродистые стали являются самыми распространенными сплавами,

используемыми в промышленности, так как они хорошо поддаются пластиче-

ской деформации в холодном и горячем состоянии, являются прочными и дос-

таточно твердыми. Они по назначению делятся на конструкционные и инстру-

ментальные, а по количеству в них углерода на низкоуглеродистые, среднеуг-

леродистые и высокоуглеродистые. На рис. 2.5 представлен характер изменения основных механических свойств углеродистых сталей в зависимости от содер-

жания углерода.

43

Высокоуглеродистые инструментальные стали (от 0,7 до 1,4 % С)

применяются для изготовления инструментов, так как обладают наибольшей прочностью и твердостью. Стали с большим количество углерода практически не используются в промышленности из-за повышения хрупкости и снижения

прочности.

Наряду со сталями в современном машиностроении широко применяются

чугуны, которые дешевле стали и имеют лучшие литейные свойства. В зависи-

мости от состоянии углерода различают чугуны белые, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида (цементита), и серые, в кото-

рых углерод в значительной степени или полностью находится в свободном со-

стоянии (в форме графита).

Белые чугуны (БЧ) (весь углерод находится в форме цементита) – полу-

чили название по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Они облада-

ют высокой твердостью и хрупкостью, поэтому практически не поддаются ме-

ханической обработке и не применяются для изготовления деталей машин.

Серые чугуны (значительная часть углерода находится в форме графита)

– также названы по виду излома, который имеет серый цвет. Количество, фор-

мы и размеры графита в этом чугуне изменяются в широких пределах.

Графит в чугунах может образовываться непосредственно при кристалли-

зации и при так называемой графитизации – образование графита из цементита.

44

железа от этих мест. При комнатной температуре этот процесс практически не протекает, но с повышением температуры резко ускоряется.

По строению металлической основы серые чугуны разделяют на перлит-

ный (структура – перлит с включениями графита), ферритно-перлитный

(структура – феррит + перлит с включениями графита) и ферритный (структу-

ра – феррит и включения графита). Чем больше углерода находится в металли-

ческой основе (в форме цементита), тем данный чугун будет тверже: феррит-

ный – 150 НВ, ферритно-перлитный – 200 НВ, перлитный – 250 НВ. Таким об-

разом серые чугуны отличаются от сталей тем, что в своей металлической ос-

нове (как у сталей) содержат включения графита.

По форме графита серые чугуны делят на ковкий, серый, серый вермику-

лярный и высокопрочный.

Ковкий чугун (КЧ) – содержит хлопьевидный графит, т.е. включения графита в микроструктуре выглядят в форме хлопьев. Такой графит получается в результате отжига белого чугуна и еще называется углеродом отжига. Ковкий чугун имеет достаточно высокое относительное удлинение от 2 до 12 %, твер-

дость от 163 до 270 НВ и предел прочности при растяжении от 300 до 615 МПа.

Широкое применение получил для изготовления различных картеров, корпусов и т.п.

Серый чугун (СЧ) – содержит пластинчатый графит (в форме пластин),

который получается при медленном охлаждении сплава с большим содержани-

ем кремния (от 3 до 5 %). Имеет твердость от 180 до 300 НВ, предел прочности при растяжении от 250 до 450 МПа, относительное удлинение 0 %. Судя по свойствам серый чугун практически не передает механические колебания, что широко используется в промышленности. Из него изготавливают станины станков, корпуса редукторов и различных механизмом, где происходит значи-

тельное звукообразование. Также, в следствии того, что графит является твер-

дой смазкой, серый чугун применяют как антифрикционный материал для изго-

товления втулок и подшипников скольжения.

45

Серый вермикулярный чугун получил свое название из-за того, что со-

держит вермикулярный графит. Свойства данного чугуна почти не отличаются

от серого.

Высокопрочный чугун (ВЧ) содержит шаровидный графит, который вы-

плавляется с присадкой магния (или церия). Он применяется для изготовления ответственных деталей (коленчатые и распределительные валы), так как его предел прочности при растяжении составляет от 450 до 1000 МПа, относитель-

ное удлинение от 2 до 5 %, а твердость от 160 до 300 НВ.

7 СХЕМЫ МИКРОСТРУКТУР УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ,

БЕЛОГО, СЕРОГО, КОВКОГО И ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНОВ.

Углеродистые стали могут иметь следующие микроструктуры (рис. 2.7):

–доэвтектоидные состоят из феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна), причем чем больше углерода, тем больше количество перлита;

–эвтектоидная состоит только из перлита;

–заэвтектоидные состоят из перлита (темные зерна) и цементита вторич-

ного (светлые прожилки между зернами).

а – 0,5 % С; б – 0,8 % С; в – 1,2 % С

Рисунок 2.7 – Микроструктуры углеродистых сталей

Особенностью структуры белых чугунов является наличие ледебурита,

который под микроскопом выглядит как темные мелкие вкрапления (перлит) на светлом фоне (цементит). Белые чугуны имеют следующие микроструктуры

(рис. 2.8):

– доэвтектические содержат ледебурит, перлит (крупные темные зерна) и

цементит вторичный (светлые прожилки около перлита);

46

–эвтектический состоит только из ледебурита;

–заэвтектические содержат ледебурит и первичный цементит (светлые иглы на фоне ледебурита).

а – 3,0 % С; б – 4,3 % С; в – 5,0 % С

Рисунок 2.8 – Микроструктуры белых чугунов

Микроструктуры серых чугунов представлены на рис. 2.9. Они различа-

ются формой графита: в сером чугуне – пластинчатый графит (ПГ); в высоко-

прочном – шаровидный графит (ШГ); в ковком – хлопьевидный графит (ХГ); в

вермикулярном сером – вермикулярный графит (ВГ).

а– серый чугун; б – высокопрочный чугун; в – ковкий чугун;

г– вермикулярный серый чугун

Рисунок 2.9 – Микроструктуры серых чугунов

47

8 ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ Каждый студент выполняет индивидуальное задание по указанному пре-

подавателем варианту. Согласно варианту известно содержание углерода в же-

лезоуглеродистом сплаве (табл. 2.2).

Таблица 2.2 – Варианты индивидуальных заданий к лабораторной работе «Изучение диаграммы сплавов железо-углерод»

Пользуясь диаграммой железо-углерод, получить и обосновать ответы на следующие вопросы задания:

1 Определить название сплава по положению на диаграмме железо-

углерод.

2 Построить кривые охлаждения и нагревания сплава в интервале темпе-

ратур 1600…0 0С с указанием фазовых превращений, происходящих в сплаве,

методом условной записи.

3 Пользуясь правилом фаз, определить степень свободы системы для раз-

личных интервалов температур с учетом происходящих в сплаве фазовых пре-

вращений.

4 Пользуясь правилом отрезков, определить химический состав фаз и их количественное соотношение (в процентах) в произвольной точке температур-

ного интервала первичной кристаллизации.

48

5 Зарисовать схему микроструктуры сплава при комнатной температуре и указать характеристики его механических свойств (твердость, предел прочности, относительное удлинение).

Пример выполнения индивидуального задания

Вариант №0 Содержание углерода в сплаве 3 %.

1 Судя по содержанию углерода данный сплав является чугуном доэвтектическим.

2Вычертим диаграмму железо-углерод в масштабе, построим кривые охлаждения и нагревания сплава, содержащего 3 % С, а также построим каноду и найдем химический состав фаз в произвольной точке первичной кристаллизации сплава (рис. 2.10).

3Пользуясь правилом фаз определим степень свободы системы для различных интервалов температур. По правилу фаз С=К-Ф+1, следовательно:

– в интервале температур от точки 0 до точки 1 – С=2-1+1=2;

–в интервале температур от точки 1 до точки 2 – С=2-2+1=1;

–при температуре точки 2 – С=2-3+1=0;

–в интервале температур от точки 2 до точки 3 – С=2-2+1=1;

–при температуре точки 3 – С=2-3+1=0;

–в интервале температур от точки 3 до точки 4 – С=2-2+1=1.

4 В произвольной точке интервала первичной кристаллизации k сплав, как следует из диаграммы железо-углерод (рис. 2.10), состоит из двух фаз: L3,5 и

A1,4. Определим количественное соотношение этих фаз в процентах:

49