Федеральное агенство по образованию

______________________________

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра теоретических основ материаловедения

С.И. Гринева, В.Н. Коробко, М.М. Сычев

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Методические указания

к лабораторной работе

Санкт-Петербург

2008

УДК 621.914 (031)

Гринева С.И. Изучение микроструктуры чугунов [Текст]: методическое указание к лабораторной работе/В.Н.Коробко, М.М.Сычев – СПб., СПбГТИ (ТУ), 2008. – 16 с.

В методических указаниях описана лабораторная работа, нацеленная на изучение микроструктуры чугунов и ее влияния на механические свойства. В работе даны определения основных видов чугунов, рассмотрена микроструктура белых и серых чугунов, описан процесс графитизации, маркировка и возможные области применения.

Методические указания предназначены для студентов 2 курса инженерно-кибернетического факультета и соответствуют рабочей программе дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».

Ил.9,библиогр.5 назв.

Рецензент:

В.Г. Корсаков, д.х.н., профессор кафедры ХТМИЭТ

СПбГТИ (ТУ), академик РАЕН.

Утверждено на заседании учебно-методической комиссии общеинженерного отделения 7.04.2008

Рекомендовано к изданию РИСо СПбГТИ (ТУ)

Введение

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы содержащие свыше 2,14% углерода. Чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода, а также лучшими литейными свойствами, малой способностью к пластической деформации. В зависимости от формы выделения углерода различают: белые и серые чугуны. Углерод находится в чугуне в виде цементита или графитовых включений. Чугун является важным машиностроительным материалом. Для изучения микроструктуры чугунов используется диаграмма состояния железо-углерод, представленная на рисунке 1.

1. Микроструктура чугунов

1.1 Микроструктура белых чугунов

Белыми называют чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Диаграмма состояния железо-углерод отражает фазовые превращения, протекающие в этих чугунах при охлаждении и нагревании.

Рисунок 1 – Диаграмма состояния железо - углерод

По структуре в зависимости от концентрации углерода различают доэвтектические (2,14-4,3%С), эвтектические (4,3%С) и заэвтектические (4,3-6,67%С) белые чугуны.

Кристаллизация доэвтектических чугунов (сплав I) начинается с выделения из жидкого расплава кристаллов аустенита (точка 1). C охлаждением до точки 2 сплав приобретает следующий фазовый состав: кристаллы аустенита, с концентрацией углерода 2,14% и жидкий расплав с концентрацией углерода 4,3%. При 1147⁰С на эвтектической линии ЕСF белые чугуны претерпевают эвтектическое превращение, которое заключается в образовании из жидкого расплава эвтектической смеси, состоящей из кристаллов аустенита с концентрацией углерода 2,14% и кристаллов первичного цементита с концентрацией углерода 6,67%. Эта эвтектическая смесь получила название ледебурит (однако при температуре 727⁰С аустенит претерпевает перлитное превращение, поэтому ледебурит ниже этой температуры будет состоять из перлита и первичного цементита).

При дальнейшем охлаждении сплава I вследствие понижения растворимости углерода в аустените (линия ES) происходит выделение вторичного цементита из структурно свободного аустенита и из аустенита входящего в состав ледебурита.

Вторичный цементит, выделяющийся из структурно свободного аустенита, образует самостоятельную структурную составляющую, а выделяющийся из ледебуритного аустенита наслаивается на уже имеющиеся в ледебурите частицы первичного цементита.

При температуре 727⁰С (точка 3) аустенит будет иметь концентрацию углерода 0,8% и как и в углеродистых сталях произойдет его распад с образованием эвтектоидной смеси – перлита.

На рисунке 2а показана структура белого доэвтектического чугуна при комнатной температуре, состоящая из перлита, вторичного цементита и ледебурита. Причем цементит располагается по границам перлитных зерен или частично сливается с цементитом ледебурита. Ледебуритная составляющая представляет собой светлые цементитные поля с равномерно расположенными на них перлитными участками.

Кристаллизация эвтектического белого чугуна (сплав II) происходит при постоянной температуре в точке 4, в результате чего образуется ледебурит, состоящий из кристаллов аустенита с концентрацией углерода 2,14% и кристаллов первичного цементита. При последующем охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода из аустенита выделяется вторичный цементит аналогично тому, как это происходило в сплаве I. Вторичный цементит сливается с цементитом эвтектическим, поэтому в микроструктуре их отличить невозможно. В точке 5 аустенит достигает концентрации углерода 0,8% и распадается с образованием перлита. Таким образом, при комнатной температуре как показано на рисунке 2б эвтектический чугун в своей структуре имеет один ледебурит, состоящий из перлита и цементита.

а – структура доэвтетического чугуна; б – структура эвтектического чугуна; в – структура заэвтектического чугуна

Рисунок 2 – Структура белых чугунов

Структура заэвтектического белого чугуна (сплав III) при комнатной температуре как видно из рисунка 2в будет состоять из первичных кристаллов цементита, выделившихся из жидкого расплава в интервале температур точек 6 – 7 и ледебурита, состоящего из перлита и первичного цементита.

Белые чугуны из-за большого количества цементита обладают высокой твердостью (9000-10000 МПа) и низкой прочностью. Как конструкционный материал они не используются, но из них изготовляют серые чугуны, брони шаровых мельниц, мелющие тела и т.д.