Ознакомление со структурой и свойствами чугунов и сталей

Обновлено: 02.05.2024

Цель: Научиться определять химический состав и классифицировать чугун по их маркам.

Порядок выполнения работы:

1. Изучить материал по теме.

2. Заполнить таблицу 1.

3. Расшифровать предложенные марки чугунов. Результаты занести в таблицу 2.

4. Заполнить таблицу 3 «Влияние примесей на свойства чугуна»

5. Сделать вывод.

Теоретическая часть

В различных отраслях промышленного производства наибольшее применение получили чёрные металлические сплавы - стали и чугуны.

Сталь - сплав железа (основа) с углеродом (до 2,14%), всегда содержит в определенных количествах постоянные примеси: марганец, кремний, серу, фосфор и газы (кислород, азот, водород).

Чугун - сплав железа с углеродом (более 2,14% до 6,67%). Чугун также содержит постоянные примеси и газы.

В легированные стали и чугуны вводят различные легирующие элементы с целью повышения механических характеристик и получения специальных свойств.

Классификация и маркировка чугунов

Как уже отмечалось выше, по сравнению со сталью, чугун имеет более высокое содержание углерода (более 2,14 и как правило до 4,5 %). Углерод в чугуне может находиться в двух состояниях: в связанном - в виде химического соединения Fе₃С, которое называется цементит, либо в свободном - в виде графита.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

- белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии. Название он получил по цвету излома. Имеет высокую твердость, хрупкость, практически не поддается обработке резанием и поэтому не нашел применения в качестве конструкционного материала и используется для передела в сталь и ковкий чугун.

- серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде графита пластинчатой формы, а остальная часть - в связанном состоянии в виде карбида железа Fе₃С. В изломе имеет темно-серый цвет. Серый чугун маркируется (ГОСТ 1412-85) буквами СЧ с добавлением цифры, которая указывает предел прочности чугуна при растяжении σ_в. Например, СЧ20 - серый чугун, имеющий σ_в=200МПа или 20кгс/мм 2 .

Серые чугуны применяются в станкостроении (станины, детали станков, суппорты, бабки, крышки, люки), в двигателестроении, в авто- и тракторостроении (блоки цилиндров, гильзы, головки, распределительные валы, седла клапанов, направляющие втулки, поршневые кольца, толкатели, тормозные барабаны, диски сцепления, картера коробок скоростей и сцепления), в химическом машиностроении, в электромашиностроении, для изготовления санитарно-технических изделий.

На основе серых чугунов выпускают антифрикционные чугуны (АЧС -1, АЧС -2, АЧС -3, АЧС -4, АЧС -5, АЧС - 6).

- ковкий чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде графита хлопьевидной формы. Ковкий чугун маркируют (ГОСТ 1215-79) буквами КЧ и двумя числами. Первое обозначает предел прочности при растяжении σ_в в кг/мм 2 , второе - относительное удлинение δ, %. Например, КЧ35-10 - ковкий чугун, имеющий σ_в =350МПа (35кгс/мм 2 ) и δ =10%;

Ковкие чугуны имеют более высокие характеристики пластичности по сравнению с другими чугунами (но это не значит, что его можно ковать). Ковкие чугуны широко используются в сельскохозяйственном машиностроении, в авто- и тракторостроении (задние мосты, ступицы, тормозные колодки, детали рулевого управления, рычаги, втулки), в вагоно- и в судостроении (детали тормозной системы, детали сцепки, подшипники), в станкостроении, текстильном и машиностроении, для изготовления санитарно-технического и строительного оборудования.

- высокопрочный чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде графита шаровидной формы. Имеет самые высокие прочностные свойства по сравнению с другими чугунами. Применяется для деталей машин, работающих в тяжелых условиях. Высокопрочные чугуны очень широко используются в автомобильной промышленности (коленчатые и распределительные валы, ступицы, суппорты тормозных систем, шестерни главной передачи, шатуны, тормозные барабаны, поршневые кольца, подвески рессор, блоки цилиндров и другие детали).Высокопрочный чугун маркируется (ГОСТ 7293-85) буквами ВЧ и цифрами, обозначающими предел прочности чугуна при растяжении σ_в, например, ВЧ50 - высокопрочный чугун, имеющий σ_в =500МПа (50кгс/мм 2 ).

Специальные чугуны, предназначенные для работы в особых условиях эксплуатации, удовлетворяют повышенным требованиям по жаростойкости, износостойкости и коррозионной стойкости. Как правило, такие чугуны легируются хромом, кремнием, никелем и др.элементами.

Ниже приведены примеры условного обозначения некоторых специальных чугунов:

АЧС - антифрикционный серый чугун по ГОСТ 1585-70;

ЖЧХ - жаростойкий и коррозионностойкий хромовый чугун по

ЖЧС5 - жаростойкий кремнистый чугун по ГОСТ 7769-75;

ЧН2Х - износостойкий и коррозионностойкий никелевый чугун

по ГОСТ 11849-76.

Влияние примесей на свойства чугуна

Примеси, входящие в состав чугунов оказывают существенное влияние на их свойства. В виде примесей в чугуне присутствуют: кремний, марганец, фосфор и сера.

Основное влияние на процесс графитизации чугуна оказывает кремний. Он способствует выделению свободного графита, что значительно улучшает его механические свойства. Но в то же время снижает скорость охлаждения отливки.

Несколько препятствует выделению свободного графита в чугуне марганец. Но его влияние на свойства огромно. Он нейтрализует вредное действие серы и предотвращает ухудшение свойств чугуна при повышенных температурах. Это явление получило название красноломкости.

Практически никакого влияния на процесс графитизации чугуна не оказывает фосфор. Но он является вредной примесью для всех сплавов, так как повышает хрупкость. Однако влияние фосфора не однозначно. За счет образования фосфида и карбида железа повышается жидкотекучесть и износостойкость.

Самой вредной примесью во всех железоуглеродистых сплавах является сера. Она снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин.

Лабораторная работа "Ознакомление со структурой и свойствами чугуна"

4. Изучить формы графита в чугунах. Заполнить таблицу 1.

Наименование

Форма графита

Микроструктура

5. Описать способ получения чугуна, его свойства, области применения

Контрольные вопросы

1. Дайте определение: чугун – это…?

2. Виды чугунов в зависимости от состояния углерода в сплаве?

3. Перечислите элементы, которые содержатся в чугуне кроме углерода?

4. В виде чего применяют антифрикционный чугун?

5. Как получить ковкий чугун?

6. Какие чугуны получили распространение в промышленности?

7. Как маркируют чугуны? Приведите марки

Лабораторная работа № 2

Ознакомление со структурой и свойствами чугуна

Цель работы: изучить микроструктуру, свойства, способы получения и применение чугунов

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. По атласу микроструктур изучить микроструктуру серого чугуна

2. Зарисовать микроструктуру серого чугуна

3. Определить фазовый и структурный состав чугуна

а- ______________, б-_______________________, в-______________

4. Рассчитать количество углерода в чугуне

Определение содержания углерода в серых чугунах, %:

где С_своб. – количество углерода содержащегося в свободном состоянии в виде графита, %:

С_своб. =

где Г – площадь шлифа, занятая графитом, 2%;

ρ₁ – плотность графита, равная 2,3 г/см 3 ;

ρ₂ – плотность чугуна, равная 7,7 г/см 3

С _связ. – количество связанного углерода (в виде цементита),%:

С _связ. =

где П – площадь шлифа, занятая перлитом, 25%

1. По атласу микроструктур изучить микроструктуру ковкого чугуна

2. Зарисовать микроструктуру ковкого чугуна

Тема: "Углеродистые стали и чугуны". Занятие 1.

Основной продукцией черной металлургии является углеродистая сталь. Это сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода достигает 2,14%.

В углеродистой стали промышленного производства присутствуют различные примеси, которые по условиям появления в стали подразделяют на постоянные (всегда присутствующие в стали) и случайные. Постоянные элементы — связаны с существующей технологией производства стали ( Mn , Si ) и невозможностью полного удаления — Р, S , О₂, N ₂ , Р₂. Случайные элементы определяются составом руды металлического лома Cr , Ni , С u , As .

Свойства сталей определяются содержанием углерода и примесей.

1. Влияние углерода и неизбежных примесей на свойства стали

Влияние углерода на свойства стали

Структура стали после медленного охлаждения состоит из двух фаз — феррита и цементита. Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода (0,38% С — 5% Fe ₃ C ; 0,7% С — 10% Fe ₃ C ; 2% С — 30% Fe ₃ C ). Твердые и хрупкие пластинки цементита повышают сопротивление движению дислокаций и тем самым повышают прочность, твердость, растет электросопротивление, коэрцитивная сила; понижаются пластичность, вязкость, теплопроводность, магнитная проницаемость. Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние, каждые 0,1% С повышают температуру порога хладноломкости в среднем на 20°С.

Хладноломкость — склонность металла растрескиваться и ломаться при холодной механической обработке.

Недостаток этот не мешает железу выносить различные механические формоизменения в нагретом состоянии, коваться, свариваться и т. д.

Влияние постоянных примесей на свойства стали

Содержание постоянных примесей обычно ограничивается следующими верхними пределами: 0,8% М n ; 0,5% Si ; 0,05% Р; 0,05% S . При большем их содержании сталь следует относить к легированным, куда эти элементы введены специально.

Раскисление металлов — процесс удаления из расплавленных металлов (главным образом стали и других сплавов на основе железа ) растворённого в них кислорода , который является вредной примесью, ухудшающей механические свойства металла.

Марганец. Его вводят в любую сталь для раскисления:

FeO + Mn → Mn О + Fe ,

т. е. для устранения оксида железа. Марганец хорошо растворяется в феррите и цементите. Он повышает прочность стали, практически не снижая пластичности, резко уменьшает красноломкость, т. е. хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы.

Кремний. Вводят в сталь для раскисления:

2 FeO + Si → 2 Fe + Si О₂.

Кремний полностью растворим в феррите; сильно повышает предел текучести стали, что снижает способность стали к пластической деформации. В сталях, предназначенных для холодной штамповки и вытяжки, содержание кремния должно быть минимальное.

Фосфор. Железные руды, топливо, флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь. Фосфор хорошо растворяется в феррите и аустените, а при высоком содержании образует фосфид Fe ₃ P (15,62% Р). Растворяясь в феррите, фосфор искажает кристаллическую решетку и увеличивает пределы прочности и текучести стали, сильно уменьшает пластичность и вязкость; каждые 0,01% Р повышают порог хладноломкости на 20…25°С. Фосфор является вредной примесью в сталях.

Сера. Как и фосфор, сера попадает в металл из руд, а также из печных газов — продукт горения топлива ( S О₂). Сера весьма ограниченно растворима в феррите, и практически любое ее количество образует с железом сернистое соединение — сульфид железа FeS , который входит в состав эвтектики, имеющей температуру плавления 988°С. Она располагается преимущественно по границам зерен. При нагреве стали до температуры прокатки, ковки (1000…1200°С) эвтектика расплавляется, нарушая связь между зернами. В процессе деформации в этих местах образуются надрывы и трещины. Это явление носит название красноломкости. Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как при введении его в жидкую сталь идет образование сульфида марганца, имеющего температуру плавления 1620°С:

FeS + Mn → MnS + Fe .

Частицы MnS располагаются в виде отдельных включений и при деформации вытягиваются в строчки вдоль прокатки.

Сернистые соединения сильно снижают механические свойства стали при статическом и циклическом нагружении, особенно вязкость, пластичность, предел выносливости. Сера является вредной примесью в сталях.

Азот, кислород. Содержатся в стали в небольших количествах, зависящих от способа производства. Они могут в газообразном состоянии находиться в различных несплошностях, в α-твердом растворе, присутствовать в стали в виде хрупких неметаллических включений: оксидов ( FeO , Si О₂, А1₂О₃ и др.), нитридов ( Fe ₂ N , Fe ₄ N , Mn ₄ N и др.). Азот, кислород и их соединения резко повышают порог хладноломкости, уменьшают ударную вязкость, понижают сопротивление хрупкому разрушению.

Водород. С железом гидридов не образует. Поглощенный при выплавке водород не только охрупчивает сталь, но приводит к образованию флокенов — тонких трещин овальной или округлой формы. Кроме того, водород в металл может попасть в процессе нанесения гальванических покрытий, при сварке, при контакте с водородсодержащими средами. Для снижения водородной хрупкости (удаления водорода) металл нагревают до 150…180°С, желательно в вакууме при давлении порядка 10 –2 …10 –3 мм рт. ст.

Улучшение качества стали. Для удаления из жидкой стали растворенных в ней газов и неметаллических включений применяют ее вакуумную обработку. Для этого ковш с жидкой сталью помещают в герметически закрытую камеру, где создается разрежение 267…667 Па (2…5 мм рт. ст.). Бурно выделяющиеся газы увлекают с собой и выносят из металла неметаллические включения. В течение 10…15 мин количество растворенных газов уменьшается в 3…5 раз, количество неметаллических включений — в 2…3 раза.

Для защиты металла от окисления разливку стали ведут в инертной атмосфере, например аргона, под слоем синтетического шлака. Для получения сталей особо высокого качества применяют электрошлаковый переплав (ЭШП), плазменно-дуговой переплав, электронно-лучевой переплав, электродуговой вакуумный переплав. Металл хорошо очищается (рафинируется) от газов и неметаллических включений обработкой шлаком и направленной кристаллизацией жидкого расплава, созданием глубокого вакуума.

2. Классификация, марки и расшифровка маркировки углеродистых сталей

В зависимости от условий и степени раскисления различают:

1) спокойные — это сталь, у которой практически не происходит выделения газов при затвердевании слитка после его разливки. Это обеспечивается полным раскислением стали — полным удалением из нее кислорода и образованием усадочной раковины в верхней части слитка. К маркировке стали добавляют буквы «сп».

2) кипящие — сталь характеризуется: большой степенью выделения газов при затвердевании стали в изложнице; заметным различием химического состава по поперечному сечению слитка и между верхней и нижней частями слитка.

Выделение СО в виде пузырьков создает эффект кипения стали. В процессе кристаллизации газовые пузырьки могут остаться в слитке. Это наиболее дешевые стали с низким качеством. К маркировке стали добавляют буквы «кп».

3) полуспокойные — в стали выделение газов при ее раскислении подавляется не полностью, так как сталь раскисляется только частично.

По качеству и стоимости занимает промежуточное положение между спокойными и кипящими. К маркировке стали добавляются буквы «пс».

Классификация углеродистых сталей по назначению. Схема классификации приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема классификации углеродистых сталей

Стали обыкновенного качества

Эти стали менее очищены от вредных примесей, содержат больше серы и фосфора, чем конструкционные качественные стали, и являются наиболее дешевыми. Стали обыкновенного качества маркируют буквами «Ст», что обозначает «сталь», после которых ставят цифры от 0 до 7 — условный номер марки стали. Затем ставят степень раскисления.

В зависимости от гарантируемых свойств и назначения стали делят на три группы.

Группа А — поставляется с гарантируемыми механическими свойствами. Не рекомендуется применять для изготовления ответственных сварных конструкций и деталей, подвергаемых термической обработке. Из сталей этой группы изготовляют детали крепежа (болты, гайки, шайбы и т. д.), неответственные элементы металлоконструкций (настилы, арматура, обшивки и т. д.). Марки сталей, например, Ст2пс, Ст3кп, Ст4сп. Чем больше номер, тем выше прочность и ниже пластичность.

Группа Б — поставляется с гарантируемым химическим составом. Перед маркой стали ставится буква «Б». Применяются для изготовления деталей, подвергаемых термической обработке (валы, оси, шестерни и др.). Для ответственных сварных конструкции — не рекомендуются, так как значения механических свойств в этой группе сталей не гарантируются. С увеличением порядкового номера стали содержание углерода в ней повышается.

Группа В — поставляется с гарантируемыми механическими свойствами и химическим составом по нормам групп А и Б. Перед маркой стали ставится буква «В». Применяется для изготовления сварных металлоконструкций (трубопроводы пара, воды, горючего газа; резервуары; газгольдеры; котельные аппараты; вспомогательное оборудование и др.), сортового и фасонного проката (швеллеры, уголки, тавры, двутавры и др.), деталей, подвергаемых термической обработке (валы, оси, втулки и др.).

Качественные углеродистые стали

К этим сталям предъявляются более высокие требования по химическому составу и структуре: ограничены пределы по содержанию углерода, меньше неметаллических включений, серы и фосфора ( S < 0,04%; Р < 0,035…0,04%).

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами, показывающими содержание углерода в сотых долях процента. В зависимости от содержания марганца стали делят на две группы: с нормальным и с повышенным содержанием марганца (до 1,2%, в этом случае к маркировке стали добавляют букву «Г»).

Стали I группы: 08, 10, 15, 20, 25, 30…85.

Стали II группы: 15Г, 20Г, 25Г, 30Г, 35Г…70Г.

Низкоуглеродистые стали 08 и 10 применяют без термической обработки для малонагруженных деталей, тонколистовую сталь используют для холодной штамповки изделий. Сталь 10 применяется для изготовления элементов сварных конструкций, корпусов и трубных пучков теплообменных аппаратов, трубопроводов, змеевиков и других деталей, работающих от минус 40 до плюс 450°С, к которым предъявляются требования высокой пластичности.

Сталь 15, 20, 25 чаще применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией. Сталь 20 применяется для изготовления трубопроводов, змеевиков, труб перегревателей, трубных пучков теплообменных аппаратов и других деталей, работающих от минус 40 до плюс 475°С.

Среднеуглеродистые стали 30…5 5 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Прокаливаемость сталей невелика; критический диаметр после закалки в воде не превышает 10…12 мм. Для повышения прокаливаемости стали добавочно легируют марганцем (40Г, 50Г).

Высокоуглеродистые стали 60…85 обладают повышенной прочностью, твердостью, износостойкостью и упругими свойствами. Их применяют после закалки и отпуска, нормализации для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических, вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают пружины, рессоры, мембраны, шпиндели станков и т. д.

Углеродистые инструментальные стали

Маркируют стали буквой «У» (углеродистая), после которой ставят цифру, показывающую среднее содержание углерода в десятых долях процента. Для обозначения повышенного качества стали (пониженное содержание серы и фосфора < 0,035%) в конце маркировки ставят букву «А»; в сталях особого качества ставят две буквы «АА» (Р и S < 0,02%). Марки инструментальных углеродистых сталей: У7, (У7А), У8 (У8А), У9 (У9А), У10 (У10А, У10АА), У11 (У11А), У12 (У12А), У13 (У13А).

Вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита эти стали имеют низкую прокаливаемость, поэтому их применяют для инструментов небольшого сечения.

Стали У7 и У8 (как менее хрупкие) применяются для изготовления инструментов, испытывающих динамические нагрузки: зубила, керны, бородки, топоры, отвертки и т. д. Структура стали — троостит отпуска. Под закалку сталь У7 нагревают до 800…820°С, охлаждают в воде или растворах солей, отпускают при 275…325°С. Твердость стали 48…58 HRC .

Стали У10…У13 применяют для изготовления фрез, зенкеров, ножовочных полотен, пил, напильников и т. д. Структура сталей — мартенсит отпуска. Под закалку сталь нагревают до температур 760…780°С, охлаждают в воде или водных растворах солей. Отпуск проводят при 150…170°С, твердость 62…63 HRC .

Достоинство этих сталей — хорошая обрабатываемость резанием и давлением в отожженном состоянии, низкая стоимость.

Недостаток — малая прокаливаемость, небольшой интервал закалочных температур (закалка в воде), что усиливает коробление (деформацию) инструмента. Их можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания материалов с малой скоростью, так как при нагреве свыше 190…200°С начинается его разупрочнение (низкая красностойкость).

Лабораторная работа 2 Ознакомление со структурой и свойствами сталей и чугунов

Лабораторная работа № 2
«Ознакомление со структурой и свойствами
сталей и чугунов»
Цель работы: Изучить классификацию, микро-структуру, свойства и назначение сталей и чугунов.

машиностроении используются детали из заго-товок, полученных способами обработки давлением или литьем. Широкое применение имеют стали и чугуны. Стали являются деформируемым материалом, иногда применяется стальное литье. Чугуны представляют со-бой, как правило, литейные материалы. Примеры ис-пользования этих материалов даны ниже. Легковой ав-томобиль среднего класса массой 1000…1100 кг имеет детали из разных сталей, составляющие 57…60 % его массы (США, Западная Европа). В станкостроении об-щая масса чугунных деталей равна в среднем 70…80 % от массы металлорежущего станка.

Основу химического состава сталей и чугунов со-ставляет железо с добавками углерода менее 2,14 % (ста-ли) или более 2,14 % (чугуны). У многих марок этих ма-териалов дополнительно содержатся легирующие хими-ческие элементы (хром, кремний, марганец, никель, мо-либден и др.). Перечень основных видов сталей и чугу-нов по государственным стандартам приведен в табл. 3 и

единения металлов (железа, алюминия, и др.) с неметал-лами (серой, кислородом, азотом и др.).
Таблица 3. Перечень основных разновидностей сталей по государственным стандартам

стой и легированной стали. Технические условия.
Прутки и полосы из быстрорежущей стали.

Таблица 4. Перечень основных разновидностей чугунов по государственным стандартам

учебниках и справочниках диаграмм состояния. Такие диаграммы состояния в координатах «температура - хи-мический состав» содержат информацию о фазах (пер-вичных составляющих микроструктуры), имеющихся в отдельных областях диаграмм, разделенных сплошными линиями. Эти данные относятся к равновесному состоя-

нию сплавов. Применительно к сталям и чугунам диа-
грамма состояния железо – углерод дана на рис. 4.

Рис. 4. Диаграмма состояния железо – углерод
Метастабильная диаграмма состояния железо-углерод относится к случаю полной растворимости ком-понентов в жидком состоянии выше линии ликвидуса

ABCD и ограниченной растворимости углерода в железе

твердом состоянии. У железа наблюдаются два поли-морфных превращения:

Fe
Железо модификаций  и  имеет соответственно кристаллические решетки объемоцентрированного куба (ОЦК) и гранецентрированного куба (ГЦК). В связи с наличием у железа полиморфных превращений на диа-грамме состояния железо-углерод образуются три обла-сти твердых растворов углерода в железе:

область NJESGN твердого раствора  (аустенита А), т.е. раствора углерода в Fe (ГЦК);

две области QPGQ и AHNA твердого раствора  (феррита Ф), т.е. раствора углерода в Fe (ОЦК).

Жc F) (эвтекти-

А_{S е (Фр + Ц_К) (эвтекто-}

сплавах железо – углерод - кремний в зависимо-сти от количества углерода и кремния, численной вели-чины скорости охлаждения существовуют две разновид-ности диаграммы состояния железо-углерод: метаста-бильная (железо-цементит) и стабильная (железо - гра-фит).

У сталей и чугунов в равновесном состоянии име-ются следующие фазы:

Жидкий раствор (Ж) на основе железа.
Феррит (Ф)- твердый раствор углерода и легирую-щих элементов в железе Fе с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба (ОЦК). Феррит имеет твердость НВ 80-90, пластичен (относительное удлине-
ние 50 %).

Аустенит (А) - твердый раствор углерода и легиру-ющих элементов в железе Fe с кристаллической решет-кой гранецентрированного куба (ГЦК).
Цементит (Ц) - раствор небольшого количества же-леза в карбиде железа Fe₃C.
Образуются также и более сложные струк-турные составляющие из двух фаз, наблюдаемые в микроструктуре:
Перлит (П) в виде темных (коричневых) участков, состоящий из ферритной основы и кристаллов цементита пластинчатой формы (пластинчатый перлит). Он образу-ется при медленном охлаждении в сталях и чугунах в ре-зультате следующего фазового превращения аустенита:

psk
А Особой термической обработкой может быть получен зернистый перлит, состоящий из феррита и ча-стиц цементита в форме мелких зерен.
Ледебурит (Л) в виде пестрых бело-темных участ-ков, состоящий из белого цементита -основы и темного перлита в виде округлых или удлиненных частиц (ниже 727°С). Выше температуры 727°С этот ледебурит состо-ит из цементита и аустенита :

ecf
Ж Многочисленные стали разных марок, отличаю-щиеся химическим составом, по микроструктуре в рав-новесном состоянии разделяются на шесть основных структурных классов (табл. 5). Представление о струк-
турных классах чугунов дает табл. 6 и структурная диа-грамма на рис. 5. Формы включений графита показаны на рис. 6.

Рис. 5. Структурная диаграмма чугунов (толщина стенки отливки постоянная)

Материаловедение. Методичка 93 (2013) вёрстка. Практикум по дисциплине Материаловедение для студентов технических специальностейСост. Г. Ю. Юрьева, В. Н. Шахов Сибгау, Красноярск, 2014. С

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

Цель работы: изучить классификацию железоуглеродистых сплавов по химическому составу и структуре; ознакомиться со свойствами и применением наиболее употребительных марок сталей и чугунов, изучить их микроструктуры.

Теоретические сведения

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод. Кроме того, в них всегда содержатся кремний, марганец, сера и фосфор. В зависимости от содержания углерода сплавы называют сталями (если углерода менее 2,14%) или чугунами (при содержании углерода от 2,14% до 6, 67%).

В сталях углерод присутствует в виде цементита, а в чугунах в виде цементита (белый чугун) или графита (обыкновенный серый, ковкий и высокопрочный).

В структуре сталей и чугунов присутствуют также твердые растворы феррит и аустенит, механические смеси перлит и ледебурит. Подробная характеристика этих фаз и структурных составляющих приведена в предыдущей лабораторной работе.

Основой для определения структурных составляющих углеродистых сталей в равновесном состоянии (после полного отжига) является диаграмма состояния системы “железо-углерод”.

Микроструктура стали в равновесном состоянии зависит от содержания в ней углерода (рис. 7.1.).

Рис. 7.1. Микроструктура углеродистых сталей:

а – сталь 20; б – сталь 40; в – сталь У8; г – сталь У12

По количеству углерода стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали – стали, содержащие от 0,02 до 0,80% углерода. Структура их состоит из феррита в виде светлых зерен и перлита (эвтектоидной механической смеси феррита и цементита) в виде мелких темных зерен. С повышением содержания углерода количество перлита пропорционально увеличивается, а феррита уменьшается.

По соотношению площадей, занимаемых в микроструктуре перлитом и ферритом, можно, пользуясь правилом рычага, приближенно определить содержание углерода в стали.

Пример: если перлит занимает примерно 25% площади шлифа, то содержание углерода будет

Доэвтектоидные сплавы с содержанием углерода до 0,02% называются техническим железом. Его структура состоит из феррита (при С=0,008%) или из феррита и третичного цементита (в сплавах с С=0,008 – 0,020%).

Механические свойства технического железа зависят от его чистоты и величины зерна и находятся в пределах: s_В=180 – 290 МПа; s_0,2 = 90 – 170 МПа; d = 30 –50%; KCU = 180 – 250 Дж/ см 2 ; НВ = 45 – 80. Малоуглеродистые доэвтектоидные стали по ГОСТ 1050 – 78 применяются, главным образом, для цементируемых изделий машиностроения. Среднеуглеродистые (стали 30, 40, 50) в термически обработанном виде – для различных машиностроительных деталей.

Эвтектоидная сталь – сталь с содержанием углерода 0,8%, состоит из перлита. Механические свойства перлита зависят от степени измельченности цементита. Среднепластичный перлит имеет следующие механические свойства: d_В = 900 МПа; s_0,2 = 600 МПа; d = 15%; y = 30%; KCU = 20 Дж/ см 2 ; НВ = 200.

Заэвтектоидные стали содержат 0,80 – 2,14% С. Структура – перлит и вторичный цементит, расположенный в виде тонкой светлой сетки (или цепочек светлых зерен) по границам зерен перлита. По площади вторичного цементита и площади перлита на шлифе можно определить примерное содержание углерода в стали.

Пример: если на поле шлифа вторичный цементит занимает примерно 10% площади, а перлит - 90%, то содержание углерода будет:

Эвтектоидные и заэвтектоидные углеродистые стали применяют для различных инструментов, предназначенных для механической обработки металлов, пластмасс, дерева и других материалов, измерительных и слесарных инструментов и др.

Чугун – это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода от 2,14 до 6 %. Кроме этих элементов, в чугуне содержится еще ряд примесей (кремний, марганец, сера, фосфор и др.). С целью улучшения свойств в чугуны могут вводиться легирующие элементы, такие как хром, никель, медь и др.

Чугун, по сравнению со сталью, имеет как преимущества, так и недостатки. Положительными свойствами этого материала являются: хорошие литейные свойства (более низкая, чем у стали, температура плавления, меньшая усадка, хорошая жидкотекучесть), хорошая обрабатываемость резанием (кроме одной разновидности – белого чугуна), достаточно высокая работоспособность в условиях трения, способность гасить вибрации, небольшая стоимость.

Недостатком чугуна являются его низкие пластические свойства и ударная вязкость, что препятствует использованию чугуна для изготовления деталей, работающих при значительных динамических, ударных нагрузках, и делает невозможным в большинстве случаев использование обработки давлением (ковки, штамповки, прокатки и т. д.) для изготовления чугунных изделий.

По структуре различают чугуны, в которых углерод находится в виде химического соединения с железом Fe₃С – цементита, и чугуны, в которых весь углерод, или большая его часть, находится в свободном состоянии, в виде графита.

Первая разновидность называется белым чугуном. Структура белых чугунов отражена на диаграмме железо-углерод (рис.6.1.).

В зависимости от содержания углерода белые чугуны разделяют на три группы:

доэвтектические – с содержанием углерода от 2,14 до 4,3%;

эвтектические – с содержанием углерода 4,3%;

заэвтектические – с содержанием углерода от 4,3 до 6,67% (рис.3.4).

Белые чугуны имеют очень высокую твердость и не поддаются обработке резанием. В машиностроении их применяют только для деталей, подвергающихся обработке шлифованием (валки холодной прокатки), или для изделий, используемых без всякой механической обработки (грузы, противовесы, мелящие тела). В ряде случаев изготавливают детали с так называемой отбеленной поверхностью. Их поверхностный слой представляет собой белый чугун и имеет повышенную твердость и износостойкость, а сердцевина имеет структуру другой разновидности чугуна (с наличием графита), что обеспечивает необходимый комплекс механических свойств. Примерами таких изделий с отбеленной поверхностью являются валки для холодной прокатки металла, шары для шаровых мельниц.

Термической обработкой белый чугун перерабатывают в ковкий чугун.

Рис. 7.2. Микроструктура белых чугунов:

а – доэвтектический (ледебурит + перлит)

б – эвтектический (ледебурит)

в – заэвтектический (ледебурит + цементит)

Серый обыкновенный чугун. В нем содержится графит в виде пластинчатых включений.
Ковкий чугун с хлопьевидными включениями графита.
Высокопрочный чугун, в котором графит имеет шаровидную форму.

Поскольку графитовые включения отрицательно сказываются на механических свойствах металла, особенно на пластичности, то чем менее разветвленную форму они имеют, тем меньше их отрицательное влияние. Самая неудачная, с точки зрения механических свойств, форма графита – пластинчатая (пластичность при этом самая низкая), а наиболее благоприятная – шаровидная форма включений, обеспечивающая максимальную пластичность (рис.7.3.). Это связано с тем, что графитовые включения играют роль трещин, пустот в чугуне и являются концентраторами напряжений. Чем более компактную форму имеют эти включения, тем более «мягкий» получается концентратор напряжений и тем меньше снижение механических свойств металла за счет графита.

рафитные включения располагаются на металлической основе, которая может быть перлитной, ферритной или феррито-перлитной.

Рис. 7.3. Схемы микроструктур серого обыкновенного, ковкого и высокопрочного чугунов
Серый обыкновенный чугун получают при медленном охлаждении металла при литье изделий, а также при повышенном содержании кремния, углерода. Обозначается он буквами СЧ, после которых ставится цифра, показывающая предел прочности при растяжении s_в в кг/мм 2 (ГОСТ 1412-85). Например, СЧ12 (s_в = 12 кг/мм 2 или 120 ПМа). Применяется серый чугун для изготовления слабонагруженных деталей, работающих в легких условиях. Например, корпуса редукторов, насосов, электродвигателей, различные крышки, отопительные батареи и т.п.

Ковкий чугун получают из белого чугуна путем специального графитизирующего отжига (томление). Это длительная термическая обработка, при которой белый чугун медленно нагревается до температур 950-1000 °С , выдерживается длительное время и охлаждается. При таком отжиге происходит графитизация цементита белого чугуна с образованием хлопьевидных включений графита. После томления отливок в зависимости от скорости охлаждения, при температуре немного ниже 727 о С, получают ковкий чугун с различными структурами металлической основы:

при очень медленном охлаждении – ферритный;

при ускоренном охлаждении – ферритно-перлитный;

при быстром охлаждении – перлитный.

Обозначается ковкий чугун буквами КЧ, после которых следуют цифры, показывающие предел прочности при растяжении s_в в кг/мм 2 – первая цифра, и относительное удлинение d в % – вторая цифра . Например, КЧ30-6 (s_в = 300МПа, d = 6 %). Применяется ковкий чугун для изготовления деталей, работающих в более тяжелых условиях по сравнению с деталями из серого чугуна при повышенных нагрузках, при знакопеременных и небольших ударных нагрузках. Например, картеры редукторов, коробок передач автомобилей, кронштейны рессор, различные крюки, фланцы и т.п.

Недостаток ковких чугунов- повышенная по сравнению с остальными чугунами стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига.

Высокопрочный чугун получают путем модифицирования его при выплавке магнием или церием в количестве 0,05 %. Модификаторы способствуют формированию шаровидных включений графита. Обозначаются высокопрочные чугуны буквами ВЧ и цифрой, показывающей предел прочности при растяжении s_в .Например, ВЧ80 ((s_в = 800 МПа). Применяется высокопрочный чугун для изготовления ответственных деталей, работающих в довольно сложных условиях при повышенном нагружении. Например, коленчатые и распределительные валы легковых автомобилей, прокатные валки, корпуса турбин, детали кузнечно-прессового оборудования и др.

Представляет интерес использование чугунов для деталей, работающих в специфических условиях (агрессивные среды, высокие температуры и др.). Для этого в чугуны вводят легирующие элементы, способствующие повышению необходимых свойств. Такие чугуны называют легированными или чугунами специального назначения. Они дешевле легированных сталей и вследствие лучших литейных свойств оказываются предпочтительнее для получения отливок.
Порядок выполнения работы и содержание отчета
1. Изучить основные теоретические сведения о структуре углеродистых сталей и их свойствах.

2. Изучить микроструктуры сталей 20, 40, У8 и У12 под микроскопом и в альбоме микроструктур. 1

3. Изучить основные теоретические сведения о структурах чугунов и их свойствах.

4. Изучить микроструктуры белых, серых, высокопрочных и ковких чугунов под микроскопом и в альбоме микроструктур.

5. Самостоятельно зарисовать схему классификации чугунов по структуре металлической основы и форме включений графита.

6. Составить отчет. Содержание отчета: название и цель работы,основные теоретические сведения об углеродистых сталях и их свойствах,микроструктуры сталей 20, 40, У8, У12 в равновесном состоянии (после полного отжига), расчет содержания углерода в стали по площади перлита, феррита, цементита (по конкретным заданиям преподавателя),основные теоретические данные о чугунах и их свойствах, микроструктуры белого, серого, высокопрочного и ковкого чугунов (по одной каждого),схема - классификация чугунов.

Читайте также: