Диаграмма состояния железо-углерод. Структура, свойства

И применение чугунов

 

Цель работы

 

1. Изучить превращения в области чугунов диаграммы железо-углерод.

2. Приобрести навыки изучения микроструктур белых и серых чугунов.

3. Изучить зависимость свойств чугунов от их структуры.

 

Приборы, материалы, учебные пособия

 

1. Металлографический микроскоп.

2. Набор микрошлифов.

3. Альбом микроструктур, справочные материалы.

 

Структура, свойства и применение чугунов

 

Чугуны – сплавы железа с углеродом и с другими элементами с содержанием углерода более 2%.

2 4, 3

Процессы кристаллизации и структурообразования в чугунах отражает подсистема диаграммы железо-углерод, которая изображена на рис. 1.

 

Рис. 1. Часть диаграммы железо-углерод, отображающая структуры чугунов.

Сплошные линии – метастабильная диаграмма, пунктирные – стабильная

 

Белые чугуны

Белые чугуны образуются при быстром охлаждении и их структура описывается метастабильной диаграммой.

Структура белых чугунов зависит от содержания углерода и они классифицируются по структуре и содержанию углерода следующим образом: чугуны с содержанием углерода до 4, 3% (левее точки С) называются доэвтектическими, с содержанием углерода 4, 3% (точка С) – эвтектическими, с содержанием углерода более 4, 3% (правее точки С) – заэвтектическими.

 

Эвтектический белый чугун. Сплав 2.

В точке С при постоянной температуре 1130°С происходит кристаллизация жидкости по реакции Жс®А_Е +Ц_F. Образующаяся смесь аустенита и цементита называется ледебуритом и представляет собою пластины цементита со столбиками аустенита в них. После окончания кристаллизации сплав будет охлаждаться далее. Содержание углерода в столбиках аустенита при охлаждении будет уменьшаться по линии SЕ. На линии PSK аустенит будет содержать 0, 8% (т.S) и распадается на перлит.

Ниже линии РSК ледебурит будет состоять из пластин цементита и столбиков перлита в них. Пример структуры ледебурита изображен на рис. 2.

 

Рис. 2. Микроструктура ледебурита (а) и ее схематическое изображение (б)

 

Доэвтектический белый чугун. Сплав 1.

Чуть ниже линии АС (рис. 2) в жидкости возникают и растут зародыши аустенита. При произвольной температуре t состав аустенита определяется проекцией точки m, а жидкости – точки n на ось концентраций, то есть состав аустенита в процессе кристаллизации изменяется по линии солидус АЕ, а состав жидкости – по линии ликвидус АС. Количество аустенита и жидкости при температуре t определяется, как % и %. На линии ЕСF происходит кристаллизация ледебурита также как в сплаве 2. После окончания кристаллизации ледебурита сплав 1 состоит из зерен аустенита состава точки Е и ледебурита. При дальнейшем охлаждении сплава содержание углерода в зернах аустенита уменьшается по линии SЕ и углерод, выходящий на поверхность его зерен образует слой вторичного цементита. На линии РSК в аустените останется 0, 8% С и аустенит распадется на перлит. Превращения в ледебурите при охлаждении сплава 1 полностью совпадают с превращениями в сплаве 2. После окончания перлитного превращения сплав 2 охлаждается до комнатной температуры и структура доэвтектического сплава 1 состоит из перлита+цементита вторичного+ледебурита и имеет вид, изображенный на рис. 3.

Ж

А

Рис. 3. Микроструктура белого доэвтектического чугуна и ее схематическое изображение

 

Заэвтектический белый чугун. Сплав 3.

Ниже линии СД (рис. 1) в сплаве будет происходить кристаллизация цементита первичного в виде пластин. При произвольной температуре t состав жидкости определяется проекцией точки k на ось концентрации, то есть состав жидкости изменяется по линии ликвидус СД. Количество жидкости и цементита первичного при температуре % и %. На линии ЕСF происходит кристаллизация ледебурита как и в эвтектическом сплаве 2. Все дальнейшие превращения в ледебурите будут аналогичны превращениям в эвтектическом сплаве 2 и конечная структура заэвтектического сплава 3 состоит из цементита первичного и ледебурита и изображена на рис. 4.

 

Рис. 4. Микроструктура белого заэвтектического чугуна и ее схематическое изображение

Применение белых чугунов

В своей структуре белые чугуны содержат большое количество цементита, обладающего высокой твердостью, прочностью, хрупкостью и имеющего белый цвет, чем и обусловлен цвет и название белых чугунов. Так, например, в сплаве 3 при комнатной температуре количество цементита в структуре равно %. Из-за большого количества цементита в своей структуре белые чугуны обладают высокой твердостью, износостойкостью, хрупкостью и поддаются обработке резанием только сверхтвердыми сплавами. Белые чугуны применяют в основном в виде слоя отбеленного чугуна на поверхности изделия, внутри которых кристаллизуется серый чугун вследствие замедления охлаждения, например, прокатные валки. Такие изделия имеют твердую износостойкую поверхность и более пластичную, вязкую сердцевину.

Белый доэвтектический чугун также используется в виде заготовок среднего литья, отжигаемых впоследствии на ковкий чугун.

Серые чугуны

В серых чугунах часть углерода находится в свободном состоянии в виде стабильной фазы-графита и поэтому в серых чугунах кристаллизация и структурообразование происходят при медленном охлаждении по стабильной диаграмме железо-углерод. (рис. 5).

Рис. 5. Часть стабильной диаграммы сплавов Fе–С, отражающая процессы

кристаллизации и структурообразования в серых чугунах

Ниже линии АС¢ в жидкости происходит кристаллизация аустенита, причем содержание углерода в жидкости изменяется по линии АС¢, а в аустените – по линии АЕ¢. И когда сплав 1 охладится до линии Е¢ С¢ F¢ оставшаяся жидкость будет иметь состав С¢.

В сплаве 3 при медленном охлаждении ниже линии С¢ Д¢ в жидкости будет происходить кристаллизация графита в виде столбиков. Из-за различной плотности графита и жидкости столбики графита будут всплывать в верхнюю часть отливки и поэтому в структуре не наблюдается. Содержание углерода в жидкости будет изменятся по линии С¢ Д¢ и когда сплав 3 охладится до линии Е¢ С¢ F¢ жидкость будет иметь состав точки С¢.

Таким образом, независимо от содержания углерода, жидкость на линии Е¢ С¢ F¢ будет иметь состав точки С¢.

При медленном охлаждении, немного ниже линии Е¢ С¢ F¢ при постоянной температуре в жидкости происходит совместная кристаллизация аустенита и графита по реакции .

Графитовые включения кристаллизуются в виде розеток с тремя, четырьмя искривленными лепестками.

После окончания процесса кристаллизации А_Е¢ и Г сплав будет охлаждаться далее, растворимость углерода в аустените уменьшается по линии Е¢ S¢, лишний углерод уходит из аустенита на ранее образовавшиеся графитные включения, наслаиваясь на них и увеличивая их размеры. При охлаждении сплава до линии Р¢ S¢ К¢ содержание углерода уменьшится до 0, 7% (т. S¢ ).

 

 

Рис. 6. Микроструктура серого чугуна с крупнопластинчатым графитом

и ее условная зарисовка: а – на ферритной основе; б – на феррито-перлитной

основе; в – на перлитной основе

 

При очень малой скорости охлаждения или даже выдержки в интервале температур 738…723°С произойдет полное превращение аустенита в феррит и получится ферритная металлическая основа с графитными включениями, то есть структура феррит+графит (рис. 6а) – серый чугун на ферритной основе, имеющий низкие механические свойства – малую выносливость и хрупкость.

При большей, промежуточной, скорости охлаждения часть аустенита, находящегося около графитных включений при охлаждении в интервале температур между линиями Р¢ S¢ К¢ и РSК, превратится в феррит, а оставшаяся часть аустенита, находящаяся дальше от графитовых включений, переохладится ниже линии РSК и распадется на перлит. Получится серый чугун на феррито-перлитной основе с графитовыми включениями (рис. 6б), имеющий небольшие, но более высокие, чем предыдущий сплав, механические свойства.

При большой скорости охлаждения превращение аустенита в феррит в интервале температур между линиями Р¢ S¢ К¢ и РSК произойти не успеет, аустенит переохладится ниже линии РSК, распадется на перлит и получится перлитная металлическая основа с графитными включениями, то есть структура перлит+графит (рис. 6в). Это наилучший вид литейного серого чугуна, который может быть использован также как антифрикционный сплав для подшипников скольжения. Таким образом, при кристаллизации и структурообразовании серых чугунов независимо от содержания углерода в сером чугуне получаются структуры, изображенные на рис. 6, из анализа которых можно сделать вывод о том, что металлическая основа серых чугунов похожа на структуру технического железа, доэвтектоидной и эвтектоидной стали и, следовательно, серые чугуны можно рассматривать, как стали с графитными включениями.

Серые чугуны классифицируются по типу металлической основы: на ферритные, феррито-перлитные, перлитные и по форме графитовых включений: серые чугуны с крупнопластинчатым графитом, серые чугуны с мелкопластинчатым графитом, высокопрочные чугуны с шаровидным графитом и ковкие чугуны с хлопьевидным графитом.

 

Влияние примесей на кристаллизацию и структурообразование чугунов

Кремний обязательно присутствует в чугунах и оказывает большое влияние на структуру и свойства чугунов. Кремний приводит к уменьшению растворимости углерода в аустените и смещению точек Е¢ и С¢ на диаграмме влево тем сильнее, чем больше его содержание. Смещение эвтектической точки С¢ влево при наличии кремния приводит к тому, что доэвтектический чугун становится заэвтектическим и при охлаждении жидкости в нем начнется кристаллизация не аустенита, а графита. Если проводить модифицирование серого чугуна мелко раздробленным ферросицилием, его частицы, растворяясь локально обогащают расплав кремнием. Это приводит к появлению большого числа более мелких графитных включений в структуре чугуна, то есть получается его структура с мелкопластинчатым графитом. Такой чугун обладает прочностью в 1, 5…2 раза выше прочности чугуна с крупнопластинчатым графитом. Обычно содержание кремния в чугунах колеблется в пределах 1, 2…3, 5%. Серые чугуны с крупнопластинчатым графитом и с мелкопластинчатым графитом называют собственно серыми и маркируют буквами СЧ, затем следует число, которое показывает среднее значение временного сопротивления s_в при растяжении (кгс/мм²).

Например СЧ18 – серый чугун s_в=18 кгс/мм².

 

Высокопрочный чугун

Для повышения прочности чугуна в него вводят небольшие добавки щелочных или щелочноземельных металлов, чаще всего магния, при концентрации 0, 03…0, 07%. Пары магния, обрабатывая расплав, способствуют кристаллизации графита в виде шариков, и получается чугун с шаровидным графитом. Шаровидные графитные включения имеют минимальную поверхность раздела с металлической матрицей и не являются такими сильными концентраторами напряжений, как графитные включения в виде крупных и мелких пластин. Это обстоятельство, а так же то, что магний, растворяясь в зернах и на их границах, изменяет металл как легирующий элемент, приводит к повышению прочности чугуна, благодаря чему он и получил свое название высокопрочный чугун (рис.7).

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ, затем следуют числа. Первые числа показывают среднее значение временного сопротивления s_в при растяжении (кгс/мм²), второе – относительное удлинение d (%), например, ВЧ 100-4 – высокопрочный чугун, s_в=100 кгс/мм², d=4%.

 

 

Рис. 7. Микроструктура высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

и ее условная зарисовка: а – на ферритной основе;

б – на феррито-перлитной основе; в – на перлитной основе

 

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают из белого доэвтектического чугуна с содержанием углерода 2, 5…3% и кремния 0, 8…1, 6% путем длительного (около 100 часов) графитизирующего отжига при температуре около 900-1000°С.

Цементит является метастабильной фазой и при высокой температуре, в процессе выдержки, распадается на стабильные фазы аустенит и графит, который выделяется в виде комков и под микроскопом имеет хлопьевидную форму, т. е. получается ковкий чугун с хлопьевидным графитом (рис. 8).

 

Рис. 8. Микроструктура ковкого чугуна с хлопьевидным графитом

и ее условная зарисовка: а – на ферритной основе;

б – на феррито-перлитной основе; в – на перлитной основе

 

По прочности ковкие чугуны занимают промежуточное положение между чугунами с мелкопластинчатым графитом и высокопрочными чугунами.

Структура ковкого чугуна и его схематическое изображение приведена на рис.8.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ, затем следуют числа. Первое число показывает среднее значение временного сопротивление s_в при растяжении (кгс/мм²), второе – относительное удлинение d (%), например, КЧ 50-4 – ковкий чугун, s_в=50 кгс/мм², d=4%.

Применение серых чугунов

Наличие графитных включений ослабляет металлическую ос­нову серых чугунов и снижает их прочность, как из-за уменьшения работающего сечения металлической основы, так и из-за того, что края графитных включений являются концентраторами напряжений, способствуя разрушению чугуна. Сопротивление при растяжении, изгибе и кручении в основном определяется формой, размером и ко­личеством графитных включений.

При сжатии серых чугунов форма, количество и размеры гра­фитных включений практически не оказывает влияния на предел прочности, который оказывается близким к пределу прочности стали и зависит главным образом от типа металлической основы. Проч­ность серых чугунов при сжатии в 3-5 раз больше, чем при растяже­нии. Поэтому серые чугуны рекомендуется использовать для изде­лий, работающих в основном на сжатие.

Графитные включения, нарушающие сплошность металличе­ской основы, делают чугуны малочувствительными к различным внешним концентраторам напряжений (дефекты поверхности, над­резы, выточки и т. д.), то есть делают детали из серых чугунов неподверженными усталостным разрушениям.

Графитные включения улучшают обрабатываемость чугунов резанием.

При работе чугуна в парах трения чугун, изнашиваясь, создает полости, заполняемые смазочным маслом, что повышает ан­тифрикционные свойства чугуна.

Графитные включения в серых чугунах увеличивают демпфирующую способность изделий из них, то есть их внутреннее трение, или, иначе говоря, способность чугунов рассеивать подводимую к нему энергию механических колебаний, что снижает шумы при работе машины с такими деталями.

Высокопрочный чугун широко используют в автостроении и дизелестроении для коленчатых валов, крышек цилиндров и других деталей, в тяжелом машиностроении – для деталей прокатных ста­нов, в кузнечно-прессовом оборудовании, в химической и нефтяной промышленности. Ковкий чугун применяется для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Изучить под микроскопом при увеличении х500 имеющийся набор микрошлифов.

2. Зарисовать схематично микроструктуру.

3. Дать характеристику чугуна по следующей схеме: класс чугуна, подкласс, форма графита (для серых чугунов) или процент углерода (для белых), способ получения, характеристика металлической основы.

4. Выполнить индивидуальное задание по 2-3 фотографиям микроструктуры чугунов.

 

Содержание отчета

 

1. Цель работы.

2. Метастабильная и стабильная (отдельно) диаграммы с указанием на них структурных составляющих.

3. Схематические зарисовки изученных структур чугунов по микрошлифам и индивидуальному заданию с полной характеристикой сплава (п. 3) и указанием структурных составляющих и их наименований.

4. Графики кривых охлаждения двух сплавов (по заданию преподавателя) с описанием процессов, происходящих в каждой критической точке и между ними. Эвтектическая и эвтектоидная реакции.

6. Контрольные вопросы

 

1. Чем отличается чугун от стали?

2. Чем отличаются белые и серые чугуны и как они получаются?

3. Как классифицируются белые чугуны?

4. Что такое ледебурит и как изменяются его структурные составляющие в зависимости от температуры?

5. Назовите структуры доэвтектического, эвтектического и заэвтектического белого чугуна.

6. Назовите области применения белых чугунов.

7. Как классифицируются серые чугуны?

8. Как получить чугуны с мелкопластинчатым графитом, высокопрочные и ковкие чугуны?

9. Как влияет форма графитовых включений на свойства чугунов?

10. От каких факторов зависит тип металлической основы серых чугунов?

11. Каково соотношение прочности серых чугунов при растяжении, изгибе, сжатии?

12. Назовите области применения серых чугунов.

 

Лабораторная работа № 4

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. DFD - диаграмма потоков данных
2. I. Методика оценки финансового состояния заемщиков – юридических лиц.
3. III. Помощь при неотложных состояниях.
4. Агрегатные состояния и превращения вещества
5. Анализ и оценка финансового состояния предприятия.
6. Анализ состояния безопасности движения на железных дорогах
7. Анализ технического состояния основных средств предприятия
8. Анализ финансового состояния ГУП РО «Шолоховское ДРСУ»
9. АНАЛИЗ ФИНАНСОВОГО СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЗАЦИИ
10. АНАЛИЗ ФИНАНСОВОГО СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЗАЦИЙ
11. Анализ финансового состояния предприятия
12. Анализ финансового состояния предприятия ООО «Валери»