Изучение структуры и свойств чугунов


Изучение структуры и свойств чугунов
Цель работы: практическое изучение микроструктуры белых и графитных чугунов и влияния особенностей микроструктуры на механические свойства чугунов.
Особенности микроструктуры чугунов
Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода. На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов «железо– цементит» чугуны занимают область от 2,14 до 6,67% С.
Углерод в чугунах может находиться в связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде графита. В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые и графитные чугуны.
Белыми называют чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита.
Структура белых чугунов соответствует диаграмме состояния «железо - цементит», согласно которой при содержании углерода 4,3 % и температуре 1147 °С в сплавах происходит эвтектическое превращение с образованием эвтектики, называемой ледебуритом.
Ледебурит (Л) представляет собой смесь аустенита и цементита, одновременно кристаллизующихся из расплава. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита происходит по схеме:
ЖР 4,3 → Л(А 2,14 + Ц 6,67).
Ледебурит имеет очень высокую твердость (~800HВ), очень хрупок, содержится только в белых чугунах.
В зависимости от содержания углерода белые чугуны по структуре делятся на эвтектические (С = 4,3%), доэвтектические (от 2,14 до 4,3% С) и заэвтектические (от 4,3 до 6,67% С).
Структура эвтектического чугуна состоит из одного ледебурита (рис. 1, а). При изучении микроструктуры протравленного микрошлифа эвтектического чугуна с использованием металлографического микроскопа перлит в ледебурите выглядит темным, а цементит - светлым.

Рис. 1. Микроструктура белых чугунов и ее схематическое изображение:
а – эвтектического (ледебурит); б – доэвтектического (перлит, цементит вторичный и ледебурит); в – заэвтектического (ледебурит и цементит первичный)
В структуре доэвтектического чугуна (рис.1, б) наряду с перлитом и ледебуритом присутствует также и вторичным цементит (сливается с цементитом эвтектики).
Структура заэвтектического чугуна (рис.1, в) состоит из ледебурита и первичного цементита, выделяющегося при кристаллизации из жидкости (линия DС диаграммы «железо – цементит») в виде крупных светлых пластин (участки с точечными темными включениями - ледебурит).
Таким образом, структура белых чугунов отличается от структуры стали наличием в них ледебурита или ледебурита и первичного цементита, что придает белым чугунам очень высокую твердость.
В зависимости от формы графита и условий его образования графитные чугуны делятся на серые, высокопрочные и ковкие.
В структуре серых чугунов весь углерод или большая часть его находится в виде графита, имеющего форму лепестков или пластинок (рис. 2).

Рис.2. Серый чугун: темные графитные пластинки на светлом фоне
непротравленного шлифа
Серый чугун характеризуется низкими значениями пластичности и ударной вязкости, так как пластинки графита нарушают сплошность металлической основы и тем самым ухудшают механические свойства чугуна.
Характер металлической основы является вторым структурным фактором, оказывающим существенное влияние на свойства графитных чугунов. Такие показатели, как твердость и предел прочности на сжатие, зависят в основном от структуры металлической основы, которая может быть ферритной, перлито-ферритной или перлитной (рис. 3).

Рис.3. Микроструктура серых чугунов на ферритной (а),
перлито-ферритной (б) и перлитной (в) основе
Перлитный чугун обычно имеет большую прочность и меньшую пластичность в сравнении с ферритным.
Структуру серых чугунов сначала определяют на нетравленых шлифах для четкого выявления графитных включений. Хрупкие графитные включения, залегающие в поверхностном слое металлической основы, при приготовлении шлифа выкрашиваются, и поэтому участки, в которых они находились, будутказаться темными.
В высокопрочных чугунах графит имеет не пластинчатую, а глобулярную (шаровидную) форму (рис.4). Такой чугун получается при введении в жидкий расплав в качестве модификатора магния (реже церия). При повышенной прочности модифицированный чугун имеет удовлетворительные показатели пластичности (относительное удлинение 1,5%).

Рис.4. Глобулярный (шаровидный) графит в высокопрочном чугуне (шлиф непротравленный)
Металлическую основу чугунов изучают после травления микрошлифов обычными реактивами (3-4%-ный раствор HNO3 в метиловом спирте). Металлическая основа может быть ферритной, феррито-перлитной (рис.5) и перлитной. Высокая прочность чугуна обеспечивается благоприятной формой графитных частиц и структуры металлической основы. Высокопрочные чугуны применяются для изготовления деталей машин, работающих на износ и подвергающихся ударным и знакопеременным нагрузкам (зубчатые колеса, коленчатые валы, поршневые кольца и т.д.).

Рис.5. Микроструктура высокопрочного чугуна и ее схематическое изображение
В ковком чугуне графит имеет форму хлопьев (рис.6). По механическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным, причем чем меньше размеры хлопьевидных графитных включений, тем выше качество чугуна.

Рис.6. Хлопьевидный графит в ковком чугуне (шлиф непротравленный)
Ковкий чугун получается из белого доэвтектического чугуна, содержащего от 2,4 до 3,4% углерода, путем длительного графитизирующего отжига (томления).
Сущность процессов графитизации белого чугуна заключается в разложении метастабильного цементита (Fe3C) в графит. Анализ диаграмм состояния показывает, что предельная растворимость углерода в твердых растворах (аустените и феррите) в системе «железо – графит» меньше, чем в системе «железо– цементит». Поэтому при наличии зародышей графита будет иметь место направленная диффузия углерода из участков локализации цементитных частиц к графитным образованиям, обусловливающая их рост. Процесс протекает до тех пор, пока весь углерод, находящийся в метастабильном состоянии (цементит), не превратится в графит.
Режим отжига белого чугуна на ковкий представлен на рис. 7.
Рис. 7. График режима отжига белого чугуна на ковкий: 1-на ферритный; 2-на перлитный
Получение той или иной структуры ковкого чугуна определяется режимом отжига. На рис. 7 приведены две схемы отжига белого чугуна на ковкий.
Если отжиг проводится по схеме 1, то при этом распадается весь цементит, имеющийся в белом чугуне. На первой стадии графитизации (выдержка при 950-1000°С) распадается в основном эвтектический цементит. На промежуточной - в процессе охлаждения до температуры второй изотермической выдержки – весь или большая часть выделяющегося вторичного цементита.
На второй стадии графитизации (при температуре 720-740 °С) - оставшийся вторичный цементит и цементит перлита, образовавшегося при переходе через эвтектоидный интервал температур. Чугун, полу чаемый по такой схеме отжига, имеет структуру феррита и хлопьевидные включения графита, которые часто называют углеродом отжига (рис. 6.8, а). Такой чугун называется ферритным ковким чугуном.
Если же отжиг проводится по схеме 2, т.е. без второй изотермической выдержки, то процесс сопровождается разложением лишь эвтектического и вторичного цементита, и получаемый чугун имеет структуру, состоящую из перлита и углерода отжига. Такой чугун называется перлитным ковким чугуном (рис.8, б).

Рис. 8. Микроструктура ковкого чугуна на ферритной (а), перлито-ферритной (б) и перлитной (в) основе
Ковкий чугун с перлито-ферритной основой (рис. 6.8, в) формируется при неполной графитизации цементита, входящего в перлит.
Содержание и выполнение работы
Приборы, материалы и инструмент
Для проведения данной работы необходимо иметь: металлографические микроскопы; наборы микрошлифов различных серых, высокопрочных и ковких чугунов в нетравленном виде; фильтровальную бумагу; спирт; вату и реактивы для травления; ГОСТ на графитные чугуны; атлас макро- и микроструктур металлов и сплавов.
Таблица № 1. Результаты исследования микрошлифов.
№ образца Микроструктура чугуна Применяемая марка чугуна
Эскиз Форма графитных включений Структура основы 1.Дуга Пластинчатая Ферритная Серый ферритный чугун
2.Сигмент Хлопьевидная Феррит + Перлит Ковкий ферритно-перлитный чугун
3.Цилиндр Шаровидная Перлитная Высокопрочный перлитный чугун
Таблица № 2. Свойства и обдасть применения чугунов.
Марка чугуна Содержание углерода, % Механические свойства Назначение
, МПа , % Твердость, НВ СЧ 15 3,5-3,7 147 - 130-241 Детали, работающие при низких динами-ческих нагрузках:
строительные колон-ны, фундаментные плиты, малонапря-жённые детали с/х машин,станков, автомобилей, арма-
тура и т.д.
КЧ 35-10 2,5-2,8 333 10 163 Детали, работающие при высоких стати-ческих нагрузках: картеры редукторов, ступицы,крюки, ско-бы и т.д.
ВЧ 50-2 3,2-3,7 490 2,0 153-245 Коленчатые валы автомобильных
и тракторных дви-гателей,крышки ци-линдров, кронштей-ны,шестерни, звездочки и т.д.
Вывод: Изучение микроструктуры белых и графитных чугунов позволило в данной лабораторной работе определить структуру металлической основы, установить по шкалам соответствующих ГОСТ в зависимости от структуры наиболее вероятную марку чугуна, а также определить свойства и область применения чугуна.

Приложенные файлы

  • docx 26680004
    Размер файла: 862 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий