Задание

1. Изучить по атласу микроструктуры технического железа, доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей в равновесном состоянии.

2. Изучить микроструктуру технического железа и сталей с по­мощью оптического микроскопа и набора микрошлифов.

3. Зарисовать наиболее характерные микроструктуры, наблюдае­мые в микроскоп.

4. Рассчитать количество углерода в доэвтектоидной стали по площадям, занимаемым перлитом. Для этого установить на микроскопе увеличение 150-300 раз. Ориентировочно определить площадь (в процентах), занимаемую перлитом (F_п) и по формуле рассчи­тать содержание углерода (С) в стали.

5. Начертить нижнюю левую часть диаграммы состояния Fе-С, провести на ней линии, соотвествующие рассматриваемым сплавам, и дать описание процессов, происходящих при охлаждении сплавов, используя известные соотношения.

6. Написать отчет по работе в соответствии с пунктами 2-5 задания.

Контрольные вопросы

1. Какая область диаграммы состояния Fе-С охватывает стали?

2. Как подразделяются железо-углеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода в рассматриваемой области?

3. Какие структуры образуются в сталях? Охарактеризуйте их.

4. Какую микроструктуру имеют техническое железо, доэвтектоидная, эвтектоидная и заэвтектоидная стали?

5. Для каких сталей и как можно металлографически определить количество углерода?

Лабораторная работа 9

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ УГЛЕРОДИСТЫХ

ЧУГУНОВ МЕТОДОМ МИКРОАНАЛИЗА

Цель работы

1. Изучить микроструктуру белых, ковких, серых и высокопрочных чугунов (с различным содержанием углерода).

2. Установить связь между составом, условиями получения и структурой исследуемых чугунов.

Приборы, материалы и инструменты

1. Металлографический микроскоп.

2. Набор микрошлифов белого, ковкого, серого и высокопрочно­ го чугунов в нетравленом и травленом состоянии.

3. Циркуль и линейка.

4. Атлас микроструктур.

Краткие теоретические сведения

Чугуны это железоуглеродистые сплавы, содержащие свыше 2,14 %С. Кроме железа и углерода в чугунах присутствуют другие элементы - примеси (Мn, Si, Р, S). Железо и углерод образуют в чугу­нах следующие структуры: аустенит, феррит, цементит, перлит, ле­дебурит и графит. Первые четыре структуры мы рассмотрели при изучении сталей.

Ледебурит – механическая смесь (эвтектика), состоящая из зе­рен аустенита или перлита с цементитом, образующаяся непосредст­венно из жидкой фазы при ее охлаждении до температуры 1147 ⁰С. При температурах выше 727 ⁰С структура ледебурита представляет механи­ческую смесь аустенита и цементита. При температурах ниже 727 ⁰С смесь перлита и цементита. Ледебурит очень твердая (НВ 700) и хрупкая структура, т. к. в ее составе много цементита. После травления ледебурит виден в микроскопе в виде светлых участков цементита с темными пятнами перлита.

Графит – это химически чистый углерод. Он имеет гексагональ­ную решетку и низкие механические свойства, поэтому с точки зре­ния прочности в металлических структурах чугунов графитные включения можно рассматривать как пустоты.

Вместе с тем графитные включения в чугунах играют и опреде­ленную положительную роль. Например, улучшают обрабатываемость чугуна резанием, его износостойкость и антифрикционность, выпол­няя роль своеобразной "сухой смазки". Кроме того, графитовые включения повышают демпфирующую спо­собность сплава, т.е. способствуют гашению вибраций.

Микроструктура белых чугунов. В белых чугунах весь углерод находится в связанном состоянии, т.е. в виде цементита (Fе₃С). Белый чугун в зависимости от содержания углерода разделяется на доэвтектический (от 2,14 до 4,З %С), эвтектический (4,З %С) и заэвтектический (от 4,3 до 6,67 %С).

Микроструктура доэвтектического белого чугуна после полного охлаждения (рис. 9.1) имеет структуру: ледебурит + перлит + вторичный цементит.

Рисунок 9.1 – Правая часть диаграммы состояния Fе-С

Вторичный цементит выделяется из аустенита содер­жащего при 1147 °С 2.14 %С. В белых чугунах с низким содержанием углерода (близким к 2,14 %) вто­ричный цементит выявля­ется достаточно четко, т.к. в таких чугунах ма­ло ледебурита. С увеличением содержания углерода вторичный цементит в структуре сливается с цементитом ледебурита. Можно считать, что структура таких доэвтектических белых чугунов состоит из ледебурита и перлита (см. атлас микроструктур) (рис. 9.2 а).

Рисунок 9.2 – Схема микроструктур доэвтектического (а), эвтектического (б) и заэвтектического (в) чугунов

Микроструктура эвтектического белого чугуна состоит только из одного ледебурита, образующегося при 1147 ⁰С при эвтектической кристаллизации жидкого сплава с содержанием 4,3 %С (рис. 9.1). При температурах выше 727 °С эвтектика состоит из цементита (эв­тектического и вторичного) и аустенита с содержанием 0,8 %С, При температуре 727 °С аустенит превращается в перлит. Таким образом, после полного охлаждения ледебурит состоит из цементита и перлита (см. атлас микроструктур) (рис. 9.2 б).

Микроструктура заэвтектического белого чугуна (рис. 9.1) состоит из ледебурита и первичного цементита (атлас микрост­руктур) (рис. 9.2 б).

Микроструктура ковких чугунов. Ковкий чугун получают из белого чугуна с помощью специального графитизирующего отжига при температурах 950-1000 С. В результате такого отжига цементит (Fе₃С) разделяется на аустенит и графит (углерод отжига). Графит в ковком чугуне образуется в виде хлопьевидных включений, кото­рые хорошо видны в микроскоп при рассмотрении нетравленого шлифа (рис, 9.3 а).

Рисунок 9.3 – Схема микроструктуры нетравленых ковкого (а), серого (б) и высокопрочного (в) чугунов

Металлическая основа ковкого чугуна может быть ферритной, ферритно-перлитной, перлитной в зависимости от режимов графитизирующего отжига. В соответствии с этим различают ков­кий чугун ферритный, феррито-перлитный и перлитный (см. атлас микроструктур).

В процессе графитизирующего отжига белого чугуна изменяют­ся и механические свойства. Ковкий чугун по сравнению с белым обладает большей пластичностью и прочностью.

Микроструктура серых чугунов. Химический состав серых чугу­нов отличается повышенным содержанием кремния.

При рассмотрении в микроскоп нетравленого микрошлифа серого чугуна хорошо видны включения пластинчатого графита (рис. 9.3 б). На величину и расположение включений графита оказывает влияние химический состав чугуна, скорость охлаждения, температура и время выдержки расплавленного чугуна перед отливкой, другие фак­торы. Так, например, с увеличением скорости охлаждения расплав­ленного чугуна пластинки графита становятся более мелкими.

Металлическая основа в серых чугунах в зависимости от свя­занного углерода может быть ферритной, феррито-перлитной и перлитной (см. атлас микроструктур).

Микроструктура высокопрочных чугунов. Измельчение графитных включений и придание им округлой (шаровидной) формы снижает кон­центрацию напряжений перед включениями, способствует повышению прочности чугуна. Такой формы графита добиваются путем модифицирования – введения в расплавленный чугун пыли магния (0,03-0,7 % от веса чугуна).

Шаровидные включения графита хорошо видны при рассмотрении в микроскоп нетравленого шлифа высокопрочного чугуна (рис. 9.3 г).

Металлическая основа высокопрочных чугунов включает те же типы структур, что и в случае ковких и серых чугунов (см. атлас микроструктур). Соответственно и названия: ферритный, феррито-перлитный и перлитный высокопрочные чугуны основаны на струк­туре металлической основы.