Учебное пособие - Структура, свойства и применение чугунов

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Московский государственный университет

путей сообщения

Императора Николая II»

___________________________________________________

Кафедра «Строительные материалы и технологии»

В.Д. Парфенов

Структура, свойства
и применение чугунов

Учебное пособие

Москва – 2016

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Московский государственный университет

путей сообщения

Императора Николая II»

_______________________________________________

Кафедра «Строительные материалы и технологии»

В.Д. Парфенов

Структура, свойства и применение
чугунов

Учебное пособие для студентов
специальностей СЖД, СТП, СМТ и СГС

Москва – 2016

УДК 669.1

П–18

Парфенов В.Д. Структура, свойства и применение чугунов: Учебное пособие. –М.: МГУПС (МИИТ), 2016. – 53 с.

В учебном пособии приводится общая классификация чугунов, подробно рассматривается структура и физико-механические свойства передельных белых и литейных чугунов Описаны фазы и структурные составляющие различных видов чугунов, а также исследуется природа фазовых превращений в чугунах при охлаждении. Рассмотрены принципы маркировки и области применения белых, серых, высокопрочных и ковких чугунов.

Учебное пособие предназначено студентам специальности «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» (специализации СЖД, СТП, МТ и СГС). для освоения раздела «Металлические материалы в строительстве» учебной дисциплины дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Рецензенты : доктор технических наук, профессор

Ерофеев В.Т. (МГУ им. Н.П.Огарева);

доктор технических наук, профессор

Кондращенко В.И. (МГУПС (МИИТ)).

© МГУПС (МИИТ), 2016

Содержание

Введение…………………………………………………………...4

1. Основные положения………………………………………..5

2. Общая классификация чугунов……………………………6

3. Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов….10

4. Структура, свойства, марки и применение чугунов……12

   1. Передельные белые чугуны…………………………...12

   2. Литейные чугуны……………………………………….19

      1. Серые чугуны…………………………………….19

      2. Высокопрочные чугуны………………………...32

      3. Ковкие чугуны…………………………………...35

5. Применение чугунных изделий в строительстве……….42

6. Задание для студентов и порядок выполнения
   лабораторной работы……………………………………….45

7. Контрольные вопросы и задачи…………………………..49

Список литературы……………………………………………..53

3

Введение

Чугуны являются важнейшим материалом современной техники. Благодаря высоким технологическим свойствам, достаточной прочности и относительной дешевизне они нашли широкое применение в транспортном, гражданском и промышленном строительстве.

Студентам необходимо знать и уметь использовать основные механические и технологические свойства чугунов, которые в значительной степени определяются его структурой.

Учебное пособие поможет более глубоко познакомиться с микроструктурой белых, серых, высокопрочных и ковких чугунов и её влиянием на механические свойства, изучить маркировку и практическое применение графитизированных чугунов.

На основе анализа диаграммы состояния «железо – цементит» (Fe – Fe₃C) на лабораторных занятиях исследуются фазы, структурные составляющие, микроструктура доэвтектических, эвтектических и заэвтектических белых чугунов, изучаются механические свойства чугунов (статическая прочность, твёрдость, пластичность и ударная вязкость), устанавливаетсят связь между содержанием, структурой углерода и механическими свойствами чугунов.

В процессе учебы студенты вырабатывают навыки анализа фазового и структурного составов чугунов, характера взаимодействия компонентов в твёрдом состоянии и последовательности фазовых превращений в чугунах, определения вида чугуна

4
по характеру графитовых включений и структуры металлической основы.

Данное учебное пособие поможет будущим инженерам строительных специальностей, изучающим дисциплину «Материаловедение. Технология конструкционных материалов » получить более глубокое представление о классификации и маркировке чугунов, изучить их структуру, свойства и применение в строительной прктике.

1. Основные положения

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14% . В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплаве, различают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугун.

Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используют для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20% всех выплавляемых чугунов используются для изготовления отливок.

Строительные и машиностроительные чугуны относятся к литейным сплавам. Широкое распространение отливок из чугуна объясняется его высокими литейными свойствами: хорошей жидкотекучестью и малой усадкой, что позволяет получать качественные отливки сложной формы даже при малой толщине стенок.
5

Изделия, полученные из чугунных отливок значительно дешевле, чем детали изготовленные обработкой резанием из горячекатанных стальных профилей или из поковок и штамповок.

Из-за большого количества цементита белые чугуны очень тверды (НВ 450-550) и хрупки. Поэтому для изготовления деталей машин и элементов конструкций они не используются.

В промышленности и строительстве широко применяют серые, высокопрочные и ковкие чугуны, в которых углерод частично или полностью находится в виде графита. Наличие графита в них обеспечивает пониженную твёрдость, хорошую обрабатываемость резанием и высокие антифрикционные свойства благодаря низкому коэффициенту трения. Вместе с тем, включения графита вызывают снижение прочности и пластичности, так как нарушают сплошность металлической основы сплава. Наиболее сильно прочность снижается при растягивающих нагрузках и относительно мало – при сжимающих.

1. Общая классификация чугунов

Чугуны представлены в современной технике и строительстве большим числом марок (составов) и классифицируются по следующим основным признакам.

1. По способу производства –на передельный чугун, используемый для передела в сталь, и литейный чугун (для изготовления отливок).К передельным чугунам относят белый чугун, к литейным – серый, высокопрочный и ковкий.

6

1. По состоянию углерода ( химически связанный или структурно свободный) – на белый, серый и половинчатый чугун;

В белом чугуне ( такое название он получил по цвету излома) углерод химически связан с железом в виде цементита (Fe₃C). Белый чугун обладает высокой твёрдостью, хрупкостью и плохой обрабатываемостью резанием. Основная масса белого чугуна идёт на переделку в сталь.

В сером чугуне (серый излом) углерод находится в свободном состоянии в виде графитовых включений. Серый чугун отличается от белого меньшей твёрдостью и хрупкостью, а также хорошей обрабатываемостью резанием. Хорошие литейные свойства серого чугуна играют важную роль при получении отливок

Половинчатый (отбеленный) чугун занимает промежуточное положение между белыми и серыми чугунами. Углерод содержится в нём частично в свободном состоянии в виде графита и частично в связанном – в виде цементита (более .0,8%). Такой чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита. обладает высокой износостойкостью, но плохо обрабатывается резанием. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки).

7

1. По форме графитных включений (рис.1) – на чугун с пластинчатым графитом (серый чугун), чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун), чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун) и чугун с вермикулярным (червеобразным) графитом.
   
   
   Рис. 1 Классификация графитных включений по форме: а) пластинчатые; б) хлопьевидные; в) шаровидные; г) вермикулярные.Структура металлической основы не видна, так как шлиф не травлен.
   
   
   

2. По типу структуры металлической основы (рис.2) – на ферритный, перлитный и ферритно-перлитный чугун;

1. По назначению – на конструкционный чугун общего назначения (серый, высокопрочный, ковкий) и чугун со специальными свойствами (антифрикционный, износотойкий коррозионностойкий, жаростойкий, жаропрочный); специальные чугуны являются, как правило, легированными.

8

Рис.2. Классификация чугуна по форме графитных включений и структуре металлической основы (схемы структур)

1. По химическому составу – на легированный и нелегированный чугун;

1. По технологии получения – на обычный чугун (немодифицированный) и модифицированный чугун.
   
   Модифицирование – это введение в расплав чугуна в небольших количествах специальных добавок – модификаторов, которые способствуют измельчению пластинок графита или получению графита в форме шара. В результате модифицирования механические свойства чугуна улучшаются: возрастает прочность, пластичность и вязкость.

9

1. Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов

Начало изучения диаграммы состояния сплавов «железо-углерод » было положено в 1868 году Черновым Д.К – русским учёным в области металлургии и металловедения в результате открытия критических точек в стали.

Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе «железо – карбид железа »(Fe – Fe₃C), и стабильная с превращениямив системе «железо – графит ».

Чугуны при кристаллизации и дальнейшем охлаждении могут вести себя по-разному): либо в соответствии с метастабильной диаграммой состояния Fe –Fe₃C (белые чугуны, в которых углерод присутствует в виде Fe₃C), либо в соответствии со стабильной диаграммой Fe –Г (железо – графит) (серые чугуны, в которых углерод присутствует в виде графита.

На представленных диаграммах ( рис.3) большинство линий не совпадают. В системе Fe –Г графитная эвтектика содержит 4,26% и образуется при 1153⁰ С. Эвтектоидное превращение протекает при 738⁰С. Пользование диаграммами Fe –Г и Fe –Fe₃C принципиально не отличаются друг от друга.

Графит образуется только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы.

10
При ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого сплава ниже 1147⁰ С происходит образование цементита.

Рис.3. Диаграмма Fe – C. Сплошные линии – цементитная система, пунктирная – графитная.

Для сталей превращения при кристаллизации совершаютсяв соответствии с метастабильной диаграммой. В чугунах превращения при первичной кристаллизации часто идут по стабильной диаграмме, а при дальнейшем охлаждении в твёрдом состоянии – по метастабильной.