133163z-МУ. Методическое пособие по дисциплине Материаловедение для студентов заочного отделения специальности
 Скачать 7.23 Mb.
|
|
Раздел 3 Чугуны. Классификация, структура и свойства чугунов Цель работы: 1 Научиться определять структуру чугунов в зависимости от состояния углерода, формы и строения металлической основы. 2 Научиться определять механические свойства заданных образцов чугуна по структуре Общие сведения 3.1 Классификация чугунов Чугуны отличаются от стали со составу – более высоким содержанием углерода, кремния, марганца, серы и фосфора; по технологическим свойствам – лучшими литейными качествами: повышенной жидкотекучестью, малой усадкой, малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддается ковке) В зависимости от того, в каком состоянии находится углерод, чугуны подразделяются на группы: Неграфитизированные; Слабографитизированные; Графитизированные. К первой группе относятся так называемые белые чугуны, в которых углерод находится в связанном состоянии – в виде цементита и ледебурита. Твердость цементита составляет 800 НВ, ледебурита 600НВ, т.е. высока, а пластичность цементита δ → 0, поэтому белые чугуны очень тверды, хрупки, плохо поддаются обработке режущим инструментом. В машиностроении белые чугуны практически не применяются, они обычно идут на передел в сталь или используются для получения ковкого чугуна. Структура белых чугунов соответствует диаграмме состояния «железо-цементит» рисунок 3.1. Образуется она в результате ускоренного охлаждения железоуглеродистых сплавов, содержащих более 2,14% углерода при литье.   % СРисунок 3.3 – Участок диаграммы Fe – Fe3C, соответствующий области чугунов По структуре белые чугуны делятся на: Доэвтектические, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода. структура их состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита рисунок 3.3.1 Эвтектические, содержащие 4,3% углерода. Структура их состоит из ледебурита рисунок 3.3.1 Заэвтектические, содержащие от 4,3 до 6,67% углерода. Структура их состоит из первичного цементита и ледебурита рисунок 3.3.1  Рисунок 3.3.1 – Микроструктура белых чугунов и схема их зарисовки: а – доэвтектического, б - эвтектического, в - заэвтектического Ко второй группе слабо графитизированных чугунов относятся половинчатые чугуны, содержащие углерод как в свободном виде (в виде графита), так и в связанном состоянии (в виде цементита и ледебурита).Структура этих чугунов отличается от структуры заэвтектоидной стали наличием графита рисунок 3.3.2 и формируется в отливках серого чугуна при ускоренном охлаждении (отбел серого чугуна) Такие отливки либо бракуются, либо подвергаются отжигу для разложения цементита.  Рисунок 3.3.2 – Микроструктура половинчатого чугуна и схема его зарисовки К третьей группе графитизированных чугунов относятся серые чугуны. В них углерод находится в виде графита, т.е. в свободном состоянии. Связанный углерод присутствует только в металлической основе (в перлите). Серый чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную графитом, т.к. строение металлической основы у стали и чугуна одинаково. Чем больше в структуре графита и чем крупнее его выделения , тем ниже механические свойства. Пластинки графита в большей степени снижают предел прочности σв и, особенно, пластичность δ. Однако графит в сером чугуне играет и положительную роль, сообщая ему ряд важнейших преимуществ перед сталью. Так, например, у чугуна выше литейные свойства: он лучше обрабатывается резанием, т.к. имеет более низкую твердость. Кроме этого, графит делает стружку сыпучей, ломкой, хорошо отделяющейся, действует как смазка при сухом и полусухом трении. Чугун обладает низкой чувствительностью к надрезам и, как следствие, высокой конструктивной прочностью. Это объясняется тем, что включения графита можно рассматривать ввиду низкой плотности графита, как своего рода трещины. Поэтому не столь важно, если трещин (надрезов) будет несколько больше. А конструктивная прочность характеризуется чувствительностью к трещинообразованию в отличие от технической, которая характеризует прочность не конструкции, а материала. Благодаря графиту чугун способен гасить вибрации, рассасывать пики напряжений, имеет более высокую, чем у стали, износостойкость. Эти достоинства делают чугун незаменимым конструкционным материалом. 3.2 Классификация серых чугунов по форме графита и строению металлической основы Серые чугуны классифицируются по форме графита и строению металлической основы. В зависимости от формы графита серые чугуны подразделяются на: Серый литейный чугун, в котором графит выделяется в пластинчатой форме; рисунок 3.3.3а Высокопрочный чугун, в котором графит находится в шаровидной форме; рисунок 3.3.3б Ковкий чугун, в котором графит находится в хлопьевидной форме; рисунок 3.3.3в Чугун с вермикулярным графитом, в котором графит находится в червеобразной форме; рисунок 3.3.3г.  Рисунок 3.3.3 – Формы графита в чугуне: а – пластинчатая (обычный серый чугун); б – шаровидная (высокопрочный чугун); в – хлопьевидная (ковкий чугун); г – вермикулярная (чугун с вермикулярным графитом) По строению металлической основы чугуны классифицируются на: Ферритные, со структурой феррита и графита. Количество связанного углерода Ссвяз ≤ 0,025%; Ферритно-перлитные, со структурой феррита, перлита и графита. количество связанного углерода Ссвяз = 0,025…0,8%; Перлитные, со структурой перлита и графита. Количество связанного углерода Ссвяз = 0,8%. Следовательно, структура этих чугунов отличается, от структуры стали наличием свободного графита.  Рисунок 3.3.4 – Классификация серых чугунов по строению металлической основы Получение, маркировка и применение серых чугунов Отливки из серого чугуна получают при заливке в формы расплавленного в вагранках чушкового доменного чугуна, стального и чугунного лома и ферросплавов. Для серого чугуна ГОСТ 1412 – 85 устанавливает следующие марки СЧПГ (серый чугун с пластинчатым графитом) в отливках: СЧ 10; СЧ 15; СЧ 18; СЧ20; СЧ 25; СЧ 30; СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45. Число по марке является основным показателем механических свойств – предела прочности при растяжении σв в МПа 10-1. Например, предел прочности чугуна марки СЧ 30 равен 300МПа 10-1 или 30 кгс/мм2. Механические свойства чугуна обусловлены строением его основы, а также числом, формой и характером расположения включений графита. Наиболее высокой прочностью обладает перлитный чугун, содержащий графит в виде мелких, равномерно рассеянных чешуек. Чугуны марок СЧ 10 и СЧ 15 относятся к ферритно-перлитным, чугуны остальных марок – к перлитным. Высшие марки СЧПГ (СЧ 30, СЧ 35) получают за счет модифицирования жидкого чугуна перед разливкой кальцием и кремнием. Чугуны марок СЧ 10, СЧ 15 применяют для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки для деталей сельскохозяйственных машин, станков, тракторов, автомобилей. Перлитные чугуны ( СЧ 20 – СЧ 45) применяют для ответственных отливок – поршней цилиндров, компрессоров, блоков двигателей, деталей, работающих на износ при небольших давлениях, станин мощных станков т.д. При получении высокопрочного чугуна дальнейшее повышение прочности и достижение значительной пластичности чугуна обеспечивается модифицированием магнием обычного серого чугуна, позволяющем получить глобулярный (шаровидный) графит вместо пластинчатого. Такая форма графита более благоприятна, является меньшим концентратом напряжений, чем пластинчатая, поэтому прочность высокопрочного чугуна выше. Кроме этого, высокопрочный чугун имеет повышенную пластичность: δ = 2…17% (у СЧПГ 0,2…0,5%) , а также ударную вязкость КС = 200…600 кДж/м2 (у СЧПГ 20…50 кДж/м2). ГОСТ 7293 – 79 устанавливает следующие марки ВЧШГ в отливках: ВЧ 38, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Здесь цифра показывает минимальный предел прочности при растяжении в МПа 10-1. Чугун чарки ВЧ 30 имеет ферритную основу, ВЧ 40 – ферритно-перлитную, остальные – перлитную. Отливки из высокопрочного чугуна широко используют в различных отраслях народного хозяйства; в автостроении для коленчатых валов, труб, крышек цилиндров и т.д. В тяжелом машиностроении – для прокатного и кузнечнопрессового оборудования. Применяется он также взамен отливок из серого чугуна, стальных отливок, поковок, штамповок. Прочность чугуна увеличивается с увеличением массового содержания перлита в металлической основе и дисперсности глобулей графита, пластичность – с увеличением массового содержания феррита. Ковкий чугун – условное название мягкого и вязкого чугуна, полученного из белого чугуна путем длительного отжига, имеет хлопьевидные графитовые включения. ГОСТ 1215 – 79 устанавливает следующие марки : ферритного класса КЧ 30 – 6; КЧ 33 – 8; КЧ 35 – 10; КЧ 37 – 12 и перлитного класса КЧ 45 – 7; КЧ 50 – 5; КЧ 55 – 4; КЧ 60 – 3; КЧ 65 – 3; КЧ 70 – 2; КЧ 80 – 1,5. Например КЧ 45 – 7 имеет σв = 450 МПа и δ= 7%. Из отливок ферритного ковкого чугуна изготовляют детали, работающие при высоких нагрузках (ступицы, крюки, картеры редукторов). Перлитные ковкие чугуны обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами. Из них изготавливают валки карданных валов, втулки, муфты, тормозные колодки и т.д. В последние годы развивается производство отливок из чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ), который по свойствам занимает промежуточное положение между чугунами с шаровидным и пластинчатым графитом. Вермикулярный графит имеет форму отдельных продолговатых включений, получают путем уменьшения количества магния при модифицировании. Поэтому в структуре ЧВГ наряду с продолговатыми включениями наблюдаются также включения компактной формы. Для изготовления отливок применяются чугуны марок ЧВГ 30, ЧВГ 35, ЧВГ 40, ЧВГ 45 ГОСТ 283-94. Условное обозначение включает: Ч – чугун; ВГ – форма графита и цифровое обозначение – предела прочности при растяжении в МПа. Чугуны ЧВГ 30, ЧВГ 35, ЧВГ 40 используются для изготовления деталей общего машиностроения (взамен серого чугуна), работающих при повышенных циклических механических нагрузках (опорные детали, маслоприводы для тракторов, тормозные рычаги, бандажные кольца шестерен автомобилей повышенной грузоподъемности, крышки и головки цилиндров мощных двигателей и т.д.); для деталей двигателей внутреннего сгорания, работающих при переменных повышенных температурах и механических нагрузках (корпуса газовых турбин, изложницы, поддоны – в металлургии). Чугун марки ЧВГ45 используется для деталей, работающих при значительных механических нагрузках в условиях трения, износа (корпуса винтовых передач, поршни и гильзы ДВС и т.д.). Индивидуальные задания 1 Познакомиться с пояснительной частью работы 2 Ответить на вопросы теста Вариант 1 Какова форма графитовых включений в белом чугуне? Ответы: 1) пластинчатая; 2) шаровидная; 3) хлопьевидная; 4) графита нет Каким путем получают ковкий чугун? Ответы: 1) модифицированием; 2) отжигом серого чугуна; 3) отжигом белого чугуна; 4) вторичным переплавом. В каком плавильном агрегате получают белый чугун? Ответы: 1) вагранке; 2) домне; 3) электропечи Относятся ли ковкий и высокопрочный чугун к серым? Ответы: 1) да; 2) нет. Куется ли ковкий чугун? Ответы: 1) да; 2) нет. Вариант 2 1 В каком плавильном агрегате получают серый чугун с пластинчатым графитом? Ответы: 1) домне; 2) вагранке; 3) электропечи. 2 Чугун, с какой структурой называется половинчатым? Ответы: 1) Ф + П + Г; 2) П + Ц + Г; 3) П + Г; 4) Л + Ц, 3 Какие характеристики зашифрованы в марке чугуна КЧ 37 – 12? Ответы: 1) σизг и σв; 2) σв и δ%; 3) σизг и δ%. Какая форма графита менее всего ослабевает металлическую основу? Ответы: 1) пластинчатая; 2) шаровидная; 3) хлопьевидная. Почему белый чугун не применяется для получения отливок? Ответы: 1) плохие литейные свойства; 2) не поддается обработке резанием; 3) быстро изнашивается. Вариант 3 1 Куётся ли ковкий чугун? Ответы: 1) да; 2) нет. 2 По каким показателям серый чугун превосходит сталь? Ответы: 1) прочности; 2) пластичности; 3) обрабатываемости давлением; 4) обрабатываемости резанием; 5) свариваемости. 3 Благодаря какому элементу пластинчатая форма графита преобразуется в шаровидную? Ответы: 1) Si; 2) Mn; 3) Mq; 4) Al. 4 Для чего применяют белый чугун? Ответы: 1) для получения; 2) для передела на сталь; 3) для получения высокопрочного чугуна; 4) для получения ковкого чугуна. 5 Какая структура металлической основы серого чугуна обеспечивает оптимальную обрабатываемость резанием? Ответы: 1) Ф; 2) Ф + П; 3) П Вариант 4 1 По каким свойствам серый чугун превосходит сталь? Ответы: 1) износостойкости; 2) конструктивной прочности; 3) технической прочности; 4) жидкотекучести; 4) коррозионной стойкости. 2 Какой из чугунов получают в доменной печи? Ответы: 1) серый; 2) белый; 3) высокопрочный; 4) ковкий. 3 Какие механические свойства чугуна наиболее сильно ослабляются графитом? Ответы: 1) σв; 2)σизг; 3) δ; 4) КСU. 4 Какой материал имеет меньший удельный вес? Ответы: 1) сталь; 2) чугун. 5 Почему серый чугун обладает низкой чувствительностью к надрезам? Ответы: 1) так как хорошо гасит вибрации; 2) так как графит выполняет роль надрезов; 3) так как чугун обладает большей пластичность, чем сталь. Вариант 5 1 Какие фазы обуславливают хрупкость чугуна? Ответы: 1) Ф; 2) П; 3) Л; 4) Ц. 2 Какая структура серого чугуна наиболее желательна для неответственных отливок, подвергающихся механической обработке? Ответы: 1) Ф + Г; 2) Ф + П + Г; 3) П + Г; 4) П + Г + Ц. 3 Как маркируется высокопрочный чугун? Ответы: 1) σв, σизг; 2) σв, δ%; 3) σв; 4) σизг 4 Может ли быть в половинчатом чугуне графит шаровидной формы? Ответы: 1) да; 2) нет 5 Какая металлическая основа обеспечивает наиболее высокую прочность чугуна? Ответы: 1) Ф; 2) Ф + П; 3) П. Вариант 6 1 Можно ли получить изделия из ковкого чугуна горячей объёмной штамповкой или ковкой? Ответы: 1) да; 2) нет. 2 Какой чугун имеет больший удельный вес? Ответы: 1) белый; 2) серый. 3 Каким способом получают высокопрочный чугун? Ответы: 1) путём отжига белого чугуна; 2) путём отжига серого чугуна; 3) модифицированием; 4) графитизацией 4 Каким чугуном можно заменить стальные отливки? Ответы: 1) серым; 2) белым; 3) высокопрочным. 5 Почему отливки серого чугуна бракуют, если в поверхностном слое образовался цементит? Ответы: 1) ухудшаются механические свойства; 2) затрудняется обрабатываемость резанием; 3) образуются литейные дефекты Вариант 7 1 Какие элементы входят в состав чугуна? Ответы: 1) C, Si, Mn, S, P; 2) C, Si, Cr,Al,P; 3) C, S, P. 2 По каким технологическим свойствам серый чугун уступает стали? Ответы: 1) литейным; 2) обрабатываемости резанием; 3) обрабатываемости давлением; 4) свариваемости. 3 Какова форма графитовых включений в белом чугуне? Ответы: 1) пластинчатая; 2) шаровидная; 3) хлопьевидная; 4) графита нет Каким путем получают ковкий чугун? Ответы: 1) модифицированием; 2) отжигом серого чугуна; 3) отжигом белого чугуна; 4) вторичным переплавом. 5 Какая металлическая основа обеспечивает наиболее высокую прочность чугуна? Ответы: 1) Ф; 2) Ф + П; 3) П. Вариант 8 1 Куётся ли ковкий чугун? Ответы: 1) да; 2) нет. 2 По каким показателям серый чугун превосходит сталь? Ответы: 1) прочности; 2) пластичности; 3) обрабатываемости давлением; 4) обрабатываемости резанием; 5) свариваемости. 3 Благодаря какому элементу пластинчатая форма графита преобразуется в шаровидную? Ответы: 1) Si; 2) Mn; 3) Mq; 4) Al. Какая форма графита менее всего ослабевает металлическую основу? Ответы: 1) пластинчатая; 2) шаровидная; 3) хлопьевидная. Почему белый чугун не применяется для получения отливок? Ответы: 1) плохие литейные свойства; 2) не поддается обработке резанием; 3) быстро изнашивается. Вариант 9 1 Какой из чугунов получают в доменной печи? Ответы: 1) серый; 2) белый; 3) высокопрочный; 4) ковкий. 2 Какие механические свойства чугуна наиболее сильно ослабляются графитом? Ответы: 1) σв; 2)σизг; 3) δ; 4) КСU. 3 Какой чугун имеет больший удельный вес? Ответы: 1) белый; 2) серый. 4 Каким способом получают высокопрочный чугун? Ответы: 1) путём отжига белого чугуна; 2) путём отжига серого чугуна; 3) модифицированием; 4) графитизацией 5 В каком плавильном агрегате получают серый чугун с пластинчатым графитом? Ответы: 1) домне; 2) вагранке; 3) электропечи. Вариант 10 1 Какой материал имеет меньший удельный вес? Ответы: 1) сталь; 2) чугун. 2 Почему серый чугун обладает низкой чувствительностью к надрезам? Ответы: 1) так как хорошо гасит вибрации; 2) так как графит выполняет роль надрезов; 3) так как чугун обладает большей пластичность, чем сталь. 3 Каким чугуном можно заменить стальные отливки? Ответы: 1) серым; 2) белым; 3) высокопрочным. 4 Почему отливки серого чугуна бракуют, если в поверхностном слое образовался цементит? Ответы: 1) ухудшаются механические свойства; 2) затрудняется обрабатываемость резанием; 3) образуются литейные дефекты 5 По каким технологическим свойствам серый чугун уступает стали? Ответы: 1) литейным; 2) обрабатываемости резанием; 3) обрабатываемости давлением; 4) свариваемости. |