5 Порядок выполнения работы

5.1 Настроить металлографический микроскоп на требуемое увеличение (в пределах от 100 до 300 раз), установив соответствующие объектив и окуляр.

5.2 Просмотреть под микроскопом протравленные микрошлифы отожженной углеродистой стали с различным содержанием углерода (2…3 микрошлифа доэвтектоидной стали, микрошлифы эвтектоидной стали и заэвтектоидной).

5.3 Определить структурные составляющие, указать класс стали (доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные).

5.4 Зарисовать схемы микроструктур.

5.5 По структуре подсчитать содержание углерода.

5.6 Определить механические свойства стали, используя график на рисунке 3.

6 Содержание отчета о работе

6.1 Привести «стальной» участок диаграммы состояния «железо-цементит» и указать, как влияет увеличение содержание углерода на структуру и механические свойства стали.

6.2 Описать строение и свойства структурных составляющих.

6.3 Зарисовать каждую микроструктуру в кругах диаметром 40 мм или квадратах размером 40х40 мм. При зарисовке следует не копировать видимое под микроскопом изображение структуры, а схематично, но достаточно точно показать особенности её строения (форму и размер зёрен, соотношение и взаимное расположение структурных составляющих и фаз). Под каждой зарисованной микроструктурой необходимо указать наименование стали, наименование структуры и увеличение.

6.4 Подсчитать по микроструктуре процентное содержание углерода в стали и примерную марку стали. Найденное содержание углерода и примерную марку стали привести рядом с рисунком микроструктуры.

6.6 С помощью графика зависимости механических свойств стали от содержания углерода (рисунок 3) определить для каждой исследованной стали значения твёрдости, прочности, пластичности и вязкости, записав примерные величины этих свойств с указанием размерности рядом с рисунком схем микроструктур.

Рисунок 3 Влияние содержание углерода на механические свойства отожжённой углеродистой стали (НВ – твёрдость по Бринеллю; _в – предел прочности;  - относительное удлинение; а_н – ударная вязкость).

Лабораторная работа 4.

Микроструктурный анализ чугуна

1 Цель работы

Получить навыки определения по микроструктуре вида чугуна (белый, серый, ковкий, высокопрочный), структуры его металлической основы, возможные марки, оценить приближенно его механические свойства и установить область применения.

2 Задание

2.1 Изучить микроструктуру серого, ковкого и высокопрочного чугуна.

2.2 Зарисовать схемы микроструктур.

2.3 Определить по структурным составляющим структуру металлической основы.

2.4 Указать особенности строения, свойств и применения изученных чугунов.

3 Приборы, материалы и инструмент

1. Металлографические микроскопы МИМ-7.

2. Комплект микрошлифов чугунов.

3. Плакаты с изображением микроструктур чугунов.

4. Плакат «Диаграмма железо-цементит».

4 Общие сведения

Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерод от 2,14 до 6,67%, называются чугунами. Чугуны содержат также большее, по сравнению со сталями, количество кремния, марганца, серы и фосфора. Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь. Однако, его хорошие технологические свойства (литейные, обрабатываемость резанием, износостойкость, антифрикционные свойства и т. д.) делают чугун пригодным для изготовления различных деталей машин.

Классификация чугуна осуществляется по следующим признакам:

1) По состоянию углерода - (свободный или связанный), серый, половинчатый (отбеленный) и белый чугун.

2) По форме включений графита – серый чугун с пластинчатым графитом (СЧ), чугун с вермикулярным (червеобразным) графитом (ЧВГ), высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ), ковкий чугун с хлопьевидным графитом (КЧ).

3) По типу структуры металлической основы (матрицы) – ферритный, перлитный, бейнитный, мартенситный и аустенитный чугуны, а также чугуны со смешанной структурой: ферритно-перлитные, перлитно-карбидные.

4) По химическому составу – нелегированные чугуны (общего назначения) и легированные чугуны (специального назначения).

Таким образом, в соответствии с приведённой классификацией, в зависимости от состояния углерода в чугуне, различают два основных вида чугуна:

- белые (по цвету излома), или цементитные чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии (входит в состав карбида железа Fе₃С, называемого цементитом);

- графитизированные (серые по цвету излома) чугуны, в которых весь углерод или большая его часть находится в свободном состоянии – в виде графита. Различают серые, ковкие и высокопрочные графитизированные чугуны.

Белые чугуны в зависимости от содержания углерода и структуры делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Доэвтектические чугуны содержат от 2,14 до 4,3% углерода и имеют структуру, состоящую из перлита и эвтектики - механической смеси перлита и цементита, называемой ледебуритом. Эвтектический чугун содержит 4,3% углерода и имеет структуру ледебурита. Заэвтектические чугуны содержат от 4,3 до 6,67% углерода и имеют структуру, состоящую из крупных кристаллитов цементита и участков ледебурита.

Белые чугуны имеют очень высокую твёрдость – НВ 7000 и более и весьма низкую пластичность. Вследствие большой хрупкости и плохой обрабатываемости режущим инструментом белые чугуны на практике применяются крайне редко (дробильные шары, звездочки для очистки литья). Они обычно идут на переделку в сталь и для получения ковкого чугуна.

При повышенном содержании в чугуне элементов – C, Si, Al, Ni, Cu, а также химических соединений - SiO₂, СаО, Al₂O₃, AlN и при медленном охлаждении происходит выделение из жидкого сплава углерода в свободном состоянии, в виде графита. Этот процесс называется графитизацией, а способствующие ему элементы – графитизаторами.

В графитизированных чугунах различают графитные (неметаллические) включения и металлическую основу, или матрицу (основную, металлическую часть чугуна).

Механические свойства графитизированных чугунов зависят, главным образом, от формы, размеров и характера распределения графитных включений, а также от структуры металлической основы. Вид и характер структуры определяется, в основном, химическим составом чугуна.

Серый чугун (СЧ) – с пластинчатым графитом (рис.1А) наиболее широко распространен в машиностроении. Отливки из серого чугуна составляют до 80% общего объёма чугунного литья. ГОСТ 1412-85 устанавливает девять основных марок серого чугуна – от СЧ10 до СЧ35, где буквы СЧ – означают «серый чугун», а числа означают предел прочности при растяжении (в кгс/мм²). Металлическая основа (матрица) серого чугуна может быть перлитной, перлитно-ферритной и ферритной (таблица 1).

Ковкий чугун (КЧ) - с хлопьевидным графитом может также иметь перлитную, перлитно-ферритную и ферритную матрицу. ГОСТ 1215-79 устанавливает 11 марок ковкого чугуна (таблица 2). Первое число в марке после букв КЧ (ковкий чугун) обозначают предел прочности при растяжении _в (в кгс/мм²), а второе – относительное удлинение  (в %). ГОСТ регламентирует также твёрдость НВ.

Высокопрочный чугун (ВЧ) – с шаровидным графитом может иметь перлитную, перлитно-ферритную и ферритную матрицу. ГОСТ 7293-85 устанавливает 8 марок высокопрочного чугуна и регламентирует их прочность (_в и _т), пластичность () и твёрдость НВ (таблица 3). Чугун маркируется буквами ВЧ и двузначным числом, обозначающим предел прочности при растяжении (в кгс/мм²).

а) б) в)

Рис.1. Схемы микроструктур чугуна после травления

а) перлитно-ферритный чугун с пластинчатым графитом; б) ковкий ферритный чугун с хлопьевидным графитом; в) высокопрочный перлитно-ферритный чугун с шаровидным графитом.