Материаловедение
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
Практическую часть работы рекомендуется выполнять в сле- дующем порядке: 1) по диаграмме железо – цементит изучить строение углероди- стых сталей; 2) с помощью оптических металлографических микроскопов МИМ-7, ММУ-3, МЕТАМ РВ-22 исследовать микроструктуру до- эвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных углеродистых ста- 24 25 лей и зарисовать структуры в квадраты 4×4 см с указанием струк- турных составляющих. При работе на микроскопах МИМ-6, МИМ-7 и МЕТАМ РВ-22 образец помещают на предметный столик полиро- ванной поверхностью вниз (перемещение микрошлифа по столику не допускается), а при работе на микроскопе ММУ-3 – полирован- ной поверхностью вверх; 3) определить по микроструктуре содержание углерода в доэв- тектоидных сталях. Для этого сначала определяют зрительно коли- чество перлита в общей массе стали (по соотношению площадей), зная, что в перлите содержится 0,8 % С; затем подсчитывают содер- жание углерода в стали умножением площади, занимаемой перли- том, на процентное содержание углерода в перлите. Содержание углерода в феррите не учитывается. Например, если на просматри- ваемом поле шлифа перлит занимает примерно 50 % общей площади микроструктуры, то при составлении пропорции получим 100 % перлита – 0,8 % углерода; 50 % перлита – Х % углерода; углерода % 4 , 0 100 50 8 , 0 X Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Теоретические сведения по равновесным структурам стали. 3. Изображение и описание исследуемых микроструктур. 4. Расчеты примерного содержания углерода в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях. 5. Выводы по работе. Лабораторная работа № 3 МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ СТРОЕНИЯ ЧУГУНОВ Цель лабораторной работы – ознакомиться с микроструктурой и свойствами чугунов. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) изучить теоретические вопросы получения белых, серых, ков- ких и высокопрочных чугунов; 2) по диаграмме железо – цементит изучить строение белых чугу- нов, а по диаграмме железо – графит – строение серых чугунов, об- ратив особое внимание на структуру металлической основы; 3) с помощью металлографического микроскопа изучить струк- туру различных чугунов, используя коллекцию микрошлифов. Оснащение участка лабораторной работы: • оборудование – металлографические микроскопы МИМ-6, МИМ-7, ММУ-3, МЕТАМ РВ-22; • материалы – коллекция микрошлифов белых, серых, ковких и высокопрочных чугунов; • плакаты – диаграмма состояния железо – цементит и желе- зо – графит; • фотоальбом – микроструктура белых, серых, ковких и высоко- прочных чугунов. Микроструктурный анализ строения чугунов Чугунами называются железоуглеродистые сплавы с содержани- ем углерода более 2,14 %. Структура и основные свойства чугуна за- висят как от его химического состава, так и от технологического про- цесса его производства и режима термической обработки. Углерод в чугуне может находиться в виде карбида железа Fe 3 С, или графита, или одновременно в виде Fe 3 С (цементита) и графита. Графит в чу- гуне может образоваться в результате распада цементита. Этот про- цесс называется графитизацией. 26 27 В зависимости от состояния углерода различают следующие чугуны: 1. Белые чугуны, в которых углерод находится в связанном со- стоянии, в виде карбида железа Fe 3 С (цементита). Свое название они получили по виду чугуна, который имеет светлый (белый) цвет. Структура белых чугунов точно соответствует метастабильной ди- аграмме Fe–Fe 3 C. По структуре белые чугуны делятся на три типа: а) доэвтектические – состоят из перлита, вторичного цементи- та и ледебурита; б) эвтектические – состоят из ледебурита; в) заэвтектические – состоят из первичного цементита и леде- бурита. Белый чугун из-за присутствия в нем большого количества це- ментита обладает высокой твердостью, хрупкостью и практически не поддается обработке резанием. Высокая твердость обусловлива- ет хорошую сопротивляемость износу, особенно абразивному, и по- этому белый чугун применяется для звездочек при очистке литья, шаров для мельниц и т. д. Белый чугун используется при переделе в сталь и при отливке деталей с последующим отжигом на ковкий чугун. 2. Серые чугуны, в которых углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчато- го графита и поэтому в изломе имеет темно-серый цвет. Образование стабильной фазы графита в чугуне может проис- ходить в результате непосредственного выделения его из жидкого раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита. Процесс образования в чугуне графита называется гра- фитизацией. В стабильной системе Fe–С (штриховые линии на рис. 1.2 в лабо- раторной работе № 1) при температурах, соответствующих линии С I D I , кристаллизуется первичный графит. По линии E I C I F I образу- ется графитная эвтектика (аустенит + графит). По линии Е I S II выде- ляется вторичный графит, а по линии P I S I K I образуется эвтектоид, состоящий из феррита и графита. Основная масса графита в серых чугунах формируется в период кристаллизации из жидкой фазы. В отличие от белых чугунов, получаемых при ускоренном охлажде- нии сплава, серые чугуны получают при медленном. Кремний способствует процессу графитизации. Марганец, на- против, замедляет процесс графитизации, способствуя отбелу чугу- на. Изменяя, с одной стороны, содержание в чугуне углерода и крем- ния, а с другой – скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы чугуна. Структурная диаграмма для чугунов (рис. 3.1) показывает, какой должна быть структура в отливке с толщиной стенки 50 мм в зависи- мости от содержания в чугуне кремния и углерода. Чем больше в чугу- не углерода, тем меньше требуется кремния для получения заданной структуры. При данном содержании углерода и кремния графити- зация протекает тем полнее, чем медленнее охлаждение (рис. 3.2). Скорость охлаждения удобно характеризовать толщиной стенки от- ливки. Чем тоньше отливка, тем быстрее охлаждение и в меньшей степени протекает графитизация. Рис. 3.1. Влияние углерода и кремния на структуру чугуна: I – белые чугуны; II – половинчатые чугуны; III – перлитные серые чугуны; IV – ферритно-перлитные серые чугуны; V – ферритные серые чугуны По строению металлической основы в зависимости от полно- ты распада цементита различают ферритный, ферритно-перлитный и перлитный серые чугуны. 28 29 0 20 50 80 110 (C + Si), % 8,5 7,5 6,5 5,5 4,5 3,5 2,5 I II III IV V Содержание кремния, % Рис. 3.2. Влияние скорости охлаждения (толщины отливки) и суммы (C + Si) на структуру чугуна: I – белые чугуны; II – половинчатые чугуны; III – перлитные серые чугуны; IV – ферритно-перлитные серые чугуны; V – ферритные серые чугуны Серый ферритный чугун получается при полном распаде всего це- ментита. Структура чугуна состоит из феррита и графита. Этот чугун применяется для деталей, испытывающих небольшие нагрузки при ра- боте: строительных колонн, фундаментных плит, литых деталей машин. Серый ферритно-перлитный чугун характеризуется меньшей сте- пенью графитизации, поскольку ей подвергается цементит, входящий в состав ледебурита, вторичный цементит и частично цементит, вхо- дящий в состав перлита. При этом распавшийся цементит образует феррит и графит, а нераспавшийся – сохраняется в перлите. Структура чугуна – ферритно-перлитная с графитом. Ферритно-перлитный се- рый чугун применяется для литых деталей машин, станков, автомоби- лей, арматуры и других деталей, не несущих ударных нагрузок. Серый перлитный чугун образуется, когда графитизации подвер- гается полностью цементит, входящий в состав ледебурита, и вто- ричный цементит. Структура перлитного чугуна состоит из перлита и графита. Перлитный серый чугун применяется для отливки ста- нины мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, дета- лей, работающих на износ, и т. д. Свойства серого чугуна зависят от структуры металлической основы и от формы, размеров и коли- чества графитных включений. Чем мельче графитные пластинки и чем больше они изолированы друг от друга, тем выше прочност- ные свойства чугуна при одной и той же металлической основе. Такая более благоприятная структура может быть получена модифи- цированием, т. е. введением в жидкий чугун небольших количеств модификаторов (ферросилиция, силикокальция). Чем меньше в ме- таллической основе феррита, тем выше прочность чугуна. Серый чугун обладает высокими литейными свойствами, хоро- шо обрабатывается, менее хрупок, чем белый; ему присущи хоро- шие антифрикционные свойства. 3. Ковкие чугуны получаются путем отжига отливок из белого чугуна (рис. 3.3). В ковком чугуне углерод находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерод отжига). Такая форма графита обусловливает высокие прочностные и пластические характеристики ковкого чугуна. Рис. 3.3. Режим отжига белого чугуна на ковкий 30 31 Отжиг проводится в две стадии. Первоначально отливки (чаще упакованные в ящики с песком) выдерживают при температуре 950…970 °С. В этот период протекает первая стадия графитизации – распад цементита, входящего в состав ледебурита (А + Ц). В результа- те распада цементита образуется хлопьевидный графит (углерод от- жига). Затем отливки охлаждаются до температур, соответствующих эвтектоидному превращению (РSK). При охлаждении происходит выделение из аустенита вторичного цементита, его распад и в ито- ге – рост графитных включений. При достижении эвтектоидного интервала температур охлаждение резко замедляют или дают дли- тельную выдержку при температуре несколько ниже. В этот период протекает вторая стадия графитизации – распад аустенита с образо- ванием ферритно-графитной смеси или распад цементита, входяще- го в перлит, с образованием феррита и графита в процессе выдержки ниже эвтектоидной температуры. После окончания второй ста- дии графитизации структура чугуна состоит из феррита и хлопье- видного графита. Если в районе перлитного превращения отливки охлаждать несколько быстрее, то наряду с ферритом в его структуре будут присутствовать зерна перлита в большем или меньшем коли- честве. Регулируя скорость охлаждения, можно получить ковкий чугун, структура которого будет состоять только из перлита и хло- пьевидного графита. Термин «ковкий чугун» является условным, по- скольку изделия из него, как и из любого другого чугуна, изготавли- вают не ковкой, а путем литья. Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно узких преде- лах: 2,2…3,0 % С; 0,7…1,5 % Si; 0,2…0,6 % Mn; 0,2 % P и 0,1 % S. Невысокое содержание углерода в ковком чугуне необходимо для получения высоких прочностных характеристик и пластичности, а также чтобы избежать выделения пластинчатого графита при охлаждении отливок в металлической форме. Толщина сечения от- ливки не должна превышать 40…50 мм в процессе охлаждения их в форме. При большем размере отливок в сердцевине образуется пластинчатый графит и чугун становится непригодным для отжига. Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Например, из ферритно- го ковкого чугуна изготавливают картеры редукторов, задний мост, ступицы и т. д. Перлитный ковкий чугун обладает высокой прочно- стью, умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами. Из него изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики целей конвейера, муфты, тормозные колодки и т. д. 4. Высокопрочные чугуны имеют шаровидную форму графита. В этих чугунах углерод в значительной степени или полностью на- ходится в свободном состоянии в вида графита шаровидной формы. Возможность получения отливок из чугуна с графитом шаровид- ной формы в литой структуре была установлена сравнительно не- давно. Исследованиями выявлена возможность получения чугуна с шаровидным графитом путем присадок не только магния и церия, но и таких элементов, как литий, кальций, барий, теллур и другие. Установлена также возможность получения чугуна за счет добав- ки азота путем длительной выдержки жидкого металла при высо- ких температурах, а также путем повышенного перегрева и выплав- ки в вакууме. Однако перечисленные добавки и различные способы получения чугуна с шаровидным графитом без обработки магнием не нашли промышленного применения. Магний вводится либо в чистом виде в автоклавных установках и герметизированных ковшах, либо в виде магниевых сплавов. Магний является хорошим графитизатором и способствует удалению серы. Микроструктура высокопрочного чугуна с шаровидным графи- том и, следовательно, его механические свойства могут быть различ- ными в зависимости от химического состава, скорости охлаждения отливок и режима термической обработки. Изменяя скорость охлаж- дения, можно получить ферритную, ферритно-перлитную и перлит- ную структуры металлической основы чугуна с шаровидным гра- фитом. Следовательно, структура серого, ковкого и высокопрочного чугуна отличается от структуры стали только наличием свободно- го графита. Сочетание высоких физико-механических и технологических свойств позволяет эффективно использовать магниевый чугун вза- мен обычного серого, ковкого чугуна, литой и кованой стали, а также взамен некоторых цветных сплавов на основе меди во многих от- раслях машиностроения и строительства (например, прокатные вал- 32 33 ки, кузнечно-прессовое и прокатное оборудование, изложницы для разливки стали, штампы различного назначения, коленчатые валы, поршневые кольца, картеры заднего моста, кронштейны, подшип- ники качения, детали тепловозов, подъемно-транспортных сооруже- ний и т. д.). Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Изображение диаграммы железо – графит, определение основ- ных линий для диаграммы, а также фаз (аустенит, феррит, цементит) и структурных составляющих. 3. Краткие сведения из теории, касающиеся условий получения различных чугунов. 4. Структурные диаграммы для чугунов, схема отжига белого чу- гуна на ковкий, схематические зарисовки микроструктур рассмотрен- ных чугунов в нетравленном состоянии и после травления с указани- ем структурных составляющих. 5. Выводы по работе. Лабораторная работа № 4 ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ Цель лабораторной работы – освоить методику и получить навы- ки испытания металлов на твердость. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) усвоить сущность метода испытания металлов на твердость, его преимущества перед другими методами определения механиче- ских свойств; 2) изучить устройство приборов для измерения твердости; 3) определить твердость стали, чугуна, цветных металлов (алю- миния, меди и других), по значениям твердости НВ определить пре- дел прочности металлов. Оснащение участка лабораторной работы: • оборудование – пресс Бринелля, твердомер Роквелла, наконеч- ники со стальными закаленными шариками выбранного диаметра, наконечник с алмазным конусом, лупа с градуированной шкалой, на- стольные тиски, напильники и шлифовальный круг; • материалы – образцы углеродистой стали, чугуна и цветных сплавов; • плакаты – таблицы значений твердости. Твердость – это свойство металла сопротивляться проникнове- нию в него другого, более твердого, тела определенной формы и разме- ров. Определение твердости является наиболее широко распростра- ненным методом испытания металлов, позволяющим без разрушения изделия и изготовления специальных образцов судить о качестве из- делий. Приборы для испытания на твердость обладают высокой про- изводительностью (до 100 испытаний в один час), значительно пре- вышающей производительность других испытательных машин. Твердость характеризует сопротивление пластической деформа- ции и представляет собой механическое свойство металла, отлича- ющееся от других его механических свойств способом измерения. Преимущества метода измерения твердости 1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой спо- собом вдавливания, и другими механическими свойствами (глав- 34 35 ным образом, пределом прочности) существует количественная за- висимость. Величина твердости характеризует предел прочности металлов, получающих в испытаниях на растяжение сосредоточен- ную пластическую деформацию (образование шейки). Такая пла- стическая деформация аналогична деформации, создаваемой в по- верхностных слоях металла при измерении твердости вдавливанием наконечника. В ряде случаев и у хрупких металлов (например, се- рых чугунов) наблюдается качественная зависимость между преде- лом прочности и твердостью. 2. По значениям твердости можно определять и некоторые пла- стические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливани- ем, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии. 3. Измерение твердости по технике выполнения значитель- но проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образ- цов и могут выполняться непосредственно на проверяемых деталях. 4. Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения контролируемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению, а для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов из де- тали. 5. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых спо- собов измерения твердости) десятых долей миллиметра, или в микро- объемах металла (метод измерения микротвердости). В последнем случае можно измерять твердость отдельных структурных составля- ющих в сплавах. Поскольку при измерении твердости в большинстве случаев дета- ли не разрушаются, то эти измерения можно применять для сплошно- го контроля деталей, в то время как определение характеристик проч- ности и пластичности проводят в качестве выборочного контроля. Методы испытания на твердость – вдавливание, царапание, кача- ние, упругая отдача, магнитный. Наиболее распространенным является метод вдавливания, при котором твердость определяют: 1) по величине поверхности отпечатка от вдавливания стального шарика при испытании на прессе Бринелля; 2) по глубине отпечатка при вдавливании алмазного конуса или стального шарика при испытании на приборе Роквелла. Испытуемый образец или деталь должны иметь подготовленную гладкую плоскую площадку. Толщину испытуемого образца или из- делия выбирают такой, чтобы на обратной стороне образца (изделия) не было заметных следов деформаций. Нагрузку следует прилагать по оси вдавливания наконечника перпендикулярно к испытуемой по- верхности. При вдавливании наконечника с малыми нагрузками тре- буется более совершенная обработка поверхности. |