Лабораторная работа: Лаба 3: Микроструктура и свойства чугунов

Распознанный текст из изображения:

— 21

— 20—

Лабораторная работа И 3

МИКРОСТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЧУГУНОВ

Рис.3.1. Микроструктура белого доэвтектического чугуна

Цель рабошы — изучение микроструктуры белых, серых. высокопрочных и ковких чугунов и установление взаимосвязи между их химическим составом, строением и свойствами.

Чугунами называются литейные железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 2, 14 до 6, 67%. В технических чугунах кроме углерода содержится Б!(до 4... 5%), Мп(до 2Х), Б(до О, 15%) и Р(до О. ЗХ). Чугуны не обрабатываются давлением из-за низкои пластичности.

Чугуны, в структуре которых весь углерод присутствует в химически связанном состоянии в виде цементита ЕезС, называются белыми чугунами (БЧ). Фазово-структурные превращения и микроструктура БЧ описываются диаграммои состояния тРе-РезС". согласно которой они подразделяются на доэвтектические (С(4. ЗХ). эвтектическии (0=4.ЗХ), и заэвтектические (С>4.3Х). По линии ликвидус в доэвтектических БЧ из жидкого раствора выделяются кристаллы аустенмта (А). При 1147'С первичная кристаллизация заканчивается образованием эвтектики — ледебурита аустенитного Л(А+Ц). В интервале 1147...727'С из аустенита выделяется вторичныи цементит (Ц,). а при 727'С аустенит превращается в перлит П (Ф+Ц). В итоге первичнои и вторичнои кристаллмзации образуется микроструктура, состоящая из трех структурных составляющих (рис.З. 1): перлита (крупные темные зерна), вторичного. цементита (белая составляющая), ледебурита перлитного д(П+Ц) (ячеистая Составляющая, в которои на белом цементитном поле располагаются мелкие темные включения перлита). Эвтектический БЧ состоит из одного ледебурита, а заэвтектические — из цементита первичного Ц, и ледебурита. Наличие в структуре БЧ большого количества твердого цементита (в перлите, ледебурите и избыточного) делает их очень твердыми (НВ=4500... 5500 МПа) и хрупкими. Вследствие высокои твердости они хорошо сопротивляются износу, но очень плохо обрабатываются резанием, поэтому их применение ограничивается изготовлением лишь некоторых литых изделий, работающих на истирание и обычно не требующих дополнительной механическои обработки.

Чугуны, в которых большая часть углерода или практически весь углерод находится в соободном состоянии в виде графита (Г), подразделяются на серые (СЧ), высокопрочные (ВЧ) и ковкие (КЧ)*.

Прн микроанализе различают микроструктуру металлической основы и графитные включения. Как видно из рис.3.2, металлическая основа любого чугуна может состоять либо из перлита (перлитные чугуны). либо из перлита и феррита (перлитоферритные чугуны), либо из феррита (ферритные чугуны). Отличительным же их микроструктурным признаком является форма графитных включений — пластинчатая в СЧ. шаровидная в ВЧ и хлопьевидная в КЧ. Таким образом. по микроструктуре чугуны отличаются от углеродистых сталей наличием графитных включений, а между собой — нх формои.

СЧ получают при повышенном содержании в расплаве углерода и кремния и малой скорости охлаждения отливки в процессе первичной и

' Название белых и серых чугунов определяется цветом излома: высокопрочных — повышеннои прочностью;название ковких чугунов — условное.

Распознанный текст из изображения:

— 23—

вторичнои кристаллизации. тан как зти Факторы способствуют графитизации, т.е. выделению углерода в виде графита. В зависимости от

Тип чугуна

!

! Перлит

!

! Перлит !

Ф 1 °

+ ! ф Ф ! Феррит ," ,~ф Е )~,

! )Ф !

! Феррит ! Ф

! ! 4~ !

Рис.3.2. КлассиФикация и схемы микроструктур чугунов со свободной формой углерода в виде графита

степени графитизации будет изменяться микроструктура металлической основы от перлитной (неполная графитизация; количество связанного в цементит углерода О, ВХ) до ферритной (полная графитизация, т. е. весь углерод в свободном состоянии в виде графита) (рис. 3. 3). Если же связанным окажется не весь углерод, но больше О,ВХ. то образуется так называемый половинчатыи чугун с микроструктурои перлит + цементит + графит.

Условия получения БЧ прямо противоположны условиям получения СЧ: пониженное содержание в расплаве углерода и кремния и высокая скорость охлаждения.

Для получения ВЧ необходимо соблюдение условии получения СЧ плюс применение модификаторов — магния или церия, под влиянием которых

! Микро-

структура ! металличес! кой основы !

форма графитных включении !

! пластинчатая ! хлопьевидная ! шаровидная !

! серый ! ковкий ! высокопрочный !

графит кристаллизуется в Форме шаров (рис. 3. 4).

Рис. 3. 3. Микроструктура серых чугунов

а — перлитного; б — перлитоФерритного; в — ферритного

Распознанный текст из изображения:

— 25—

— 24-

Рис. 3.4. Микроструктура высокопрочного

перлитного чугуна

КЧ получают путем очень длительного (десятки часов) графитизирующего отжига отливок из БЧ, в процессе которого цементит распадается с выделением углерода в виде хлопьев графита. В зависимости от количества распавшегося'цементита образуются перлитные, порлитоферритиые или Ферритные КЧ (рис.3.5).

Свойства серых. высокопрочных и ковних чугунов зависят как от микроструктуры металлической основы, так и от количества и Формы графитных включений. Графит — мягкая, непрочная и хрупкая фаза. Поэтому рассматриваемые чугуны гораздо менее твердые, чем белые, а по сравнению со сталями оии менее прочные и пластичные. Чем больше объем графитных включений, тем ниже уровень этих механических свойств. При одинаковом объеме графита степень снижения прочности и пластичности при растягивающих напряжениях определяется формои графитных включений. Наибольшее отрицательное влияние оказывают пластинчатые графитиые включения. играющие роль трещин. на концах которых вследствие высокои концентрации напряжений легко Формируются очаги разрушения; наименьшее — шаровидные, являющиеся гораздо более слабыми концентраторами напряжении. Степень влияния хлопьевидного графита в

КЧ промежуточная между пластинчатым и шаровидным. Поэтому предел прочности (временное сопротивление) при растяжении и относительное удлинение у КЧ и особенно у ВЧ существенно выше, чем у СЧ при одинаковой структуре металлической основы. Например, относительное удлинение СЧ составляет О, 2... О, 5Х; КЧ- 3... 12%; ВЧ вЂ” 3... 15% (минимальные значения типичны для перлитных чугунов. а максимальные - для ферритных).

Рис. 3. 5. Микроструктура ковких чугунов а — перлитного; б — Ферритного

Распознанный текст из изображения:

- 26-

— 27—

Механические свойства СЧ можно повысить путем их модифицирования Ферросилицием или силикоквльцием. так как в резульате графитные включения становятся более короткими. тонкими и разобщенными. Такой СЧ называют вермикулярным.

Чугуны на перлитной основе более прочные, чем на Ферритной.

При сжатии роль концентраторов напряжений резко снижается, поэтому предел прочности чугунов при сжатии. а также твердость завися~ главным образом от структуры металлической основы и практически близки к свойствам стали того же химического состава и структуры, что и металлическая основа чугуна. Перлитные чугуны более твердые и износостойкие, чем Ферритные.

Изменить структуру металлической основы и механические свойства чугунов можно путем их термической обработки.

Статическая прочность чугунов при растяжении в 4 раза ниже, чем при сжатии. Поэтому работоспособность чугуна в реальных условиях эксплуатации лимитируется долей растягивающих напряжений, а в их марках указывается предел прочности (временное сопротивление) при статическом растяжении. Например,СЧ15, ВЧ60. КЧ37-12: 6, - 18; 60 и 37 кгс/мм или 150, 600 и 370 МПа соответственно. Второе число в марках КЧ— относительное удлинение (б - 12%). БЧ конструкторской маркировки не имеют.

Наличие в структуре чугунов графита приводит к их разупрочнению и охрупчиванию по сравнению со сталями, но с другой стороны придает им такие полезные свойства. как хорошая обрабатываемость резанием, высокие антифрикцианные свойства, устойчивость к вибрационным нагрузкам, нечувствительность к дефектам поверхности. Эти преимущества в совокупности с высокими литейными свойствами и низкой стоимостью обеспечивают широкое использование чугунов в качестве литейных конструкционных материалов.

Порядок выполнения работы

Для выполнения работы необходимы металлографическии микроскоп,

набор микрошлифов образцов чугунов разных типов и пресс Бринелля.

Необходимо:

1) просмотреть под микроскопом все шлифы набора, схематически

зарисовать микроструктуры и стрелками указать на каждой зарисовке структурные составляющие;

2) по процентному содержанию перлита в микроструктуре металлической основы (ХП) подсчитать количество ~вязанного углерода (С,Х) в СЧ, ВЧ и КЧ по формуле: С - О. 8 (ХП)/100. %;

3) измерить твердость по Бринеллю СЧ, ВЧ и КЧ и сравнить ее с твердостью, рассчитанной по эмпирической формуле:

НВ = 1500 + 10 (ХП), МПа;

4) по твердости НВ вычислить предел прочности при растяжении 6, для СЧ по эмпирической формуле 6, - 0,0013НВ '

5) ответить на все пункты бланка отчета.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гуляев А.П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986. — 544 с.

2. Конструкционные материалы в энергетике/Под ред. В.М. Качалова. — М.: Изд-во МЭИ. 1992. — 102с.

Лабораторная работа И 4

ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАИММ СОСТОЯНИЯ

ПО КРИВИМ ОХЛАИЛЕНИЯ СПЛАВОВ

Цель робошы — освоение методики построения диаграмм состояния с использованием метода термического анализа и экспериментальное построение диаграммы состояния системы свинец †оло по кривым охлаждения сплавов.

Диаграмма состояния сплавов какой-либо системы графически изображает изменения, происходящие в сплавах этан системы при изменении концентрации и температуры. и позволяет правильно назначать режимы их обработки: горячей обработки давлением, термическои обработки, литья.

Диаграммы состояния строят на основании данных термического анализа, с помощью которога определяют температуры фазовых превращений, происходящих в сплавах, т. е. так называемые критические точки.