Матеріалознавство. Практикум Підзагальноюр едакціє юдокторатехнічнихн аук, про фе с ораА. Д. Ковал я Запоріжжя, 2011
 Скачать 4.78 Mb.
|
|
1 У, У7А, У, У8А Інструменти для слюсарно-монтажних робіт та обробки дерева сокири, пили, фрези, молотки тощо 2 У, У9А, У, У10А Для обробки метала штампи для холодного штампування, фрези, зенкери, відкрутки, калібри 3 УІ2, У12А, УІЗ, УІЗА Інструменти, що не піддаються ударним навантаженням: напильники, шабери, інструмент для гравірування Примітка: У маркуванні У позначає інструментальну вуглецеву сталь, цифри вказують на середній вміст вуглецю в десятих частках процента. Літера А в кінці марки означає, що сталь – високоякісна і має знижений вміст сірки та фосфору ( ≤ 0,018 % S, ≤ 0,025 % P). 4.2 Завданнянапідготовкудолабораторноїроботи Накреслити діаграму Fe-Fe 3 C (на всю сторінку). У всіх зонах діаграми вказати структуру, а в квадратних дужках - фази. Коротко описати фази (ФА, Ц) та структурні складові (ПЛ) залізовуглецевих сплавів; перитектичну, евтектичну та евтектоїдну реакції; маркування та призначення сталей. 4.3 Контрольнізапитаннядлясамоперевіркиіконтролюпідготовленостідо лабораторної роботи На метастабільній (Fe-Fe 3 C) діаграмі позначити точки, концентрації, температури, структури та фази. Пояснити лінії рівноваги на діаграмі. Які поліморфні перетворення відбуваються в залізі ? Вказати температури. Що таке ферит, аустеніт, цементит, перлит і ледебурит Вказати їх тип кристалічної гратки. Описати лінії діаграми Fe-Fe 3 C та сутність перитектичного, евтектичного та евтектоїдного перетворень. Як визначити в заданому сплаві при вказаній температурі масову кількість фаз та їх хімічний склад ? Які перетворення проходять при охолодженні з рідкого стану до кімнатної температури в доевтектоїдному (заевтектоїдному, доевтектичному, евтектичному або заевтектичному) сплаві ? Що таке сталь, яким чином вуглець впливає на структуру та властивості сталей в рівноважному стані ? Яким чином класифікують вуглецеві сталі в залежності від структури в стані рівноваги ? Класифікація вуглецевих сталей за призначенням. Маркування вуглецевих конструкційних та інструментальних сталей. Із яких сталей можна виготовити: ферму мостового крану, валик, полотно ножівки, пуансон, стамеску, шестерню, пружину тощо ? Назвати марку сталі. 4.4 Матеріали, інструменти, приладитаобладнання Робота виконується на зразках технічно чистого заліза, відпалених вуглецевих сталей 10, 45, У. Для визначення твердості використовується прилад ТК-2, для дослідження структури - оптичні мікроскопи МІМ-5 та МІМ-7. 4.5 Вказівкизтехнікибезпеки Робота виконується відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки (додаток А. 4.6 Порядокпроведеннялабораторноїроботи 4.6.1 Провести мікроскопічне дослідження шліфів. Порівнянням мікроструктури зразків із фотографіями структур різних залізовуглецевих стопів, що наведені в альбомах, визначити вміст вуглецю та марку вуглецевої сталі. 4.6.2 Схематично зобразити структури переглянутих сплавів, визначити структурні складові та, користуючись довідковими даними, написати біля кожної структури хімічний склад стопу, твердість у відпаленому стані, застосування. 4.6.3 На 4...5 зразках сталі з різним вмістом вуглецю визначити твердість на приладі ТК-2 (шкала В, навантаження 980 Н. Використавши додаток Б, перекласти значення твердості НRВ в НВ. 4.6.4. За експериментальними даними побудувати для сталей графік залежності “твердість - вміст вуглецю”. Пояснити графік. 4.6.5 Для визначеної викладачем деталі (інструменту) вибрати марку вуглецевої сталі. Визначити хімічний склад, структуру та призначення інших, вказаних викладачем, вуглецевих сталей. 4.6.6 Для вказаного сплаву при заданій температурі визначити вміст вуглецю в фазах та масову кількість кожної фази. Побудувати та пояснити криву охолодження. 4.7 Змістзвіту Завдання пункту 4.2, рис. 4.1; схеми мікроструктур досліджених зразків сталей, графік залежності “твердість – вміст вуглецю”; висновки і пояснення; відповідь на питання п.п. 4.6.5 та 4.6.6. 4.8 Рекомендованалітература [ 1 ] , с. 200-217; [ 2 ] , с. 125-144; [ 3 ] , с. 159-166, 180-200; [ 5 ] , с. 121-136, 250-257, 308, 309; [ 6 ] , с. 55-61, 139-148, 201-202. 53 ЛАБОР АТО Р НАР ОБОТА№ 5 Мікро скопі чн едослідж енняч авун ів Метароб оти – вивчити структурні перетворення в чавунах у залежності від їх хімічного складу та температури, а також вплив складу та структури на властивості чавунів; освоїти принцип маркування чавунів та основи їх вибору для деталей і конструкцій. 5.1 Загальнівідомості Ч а в у ни- це залізовуглецеві сплави, що містять більше С. Вони кристалізуються з утворенням евтектики, мають малий інтервал температур кристалізації і тому характеризуються добрими ливарними властивостями: великою рідкотекучістю, малою лінійною усадкою. Це дозволяє одержувати відливки складної форми з малою товщиною стінок. Вуглець у чавунах може розчинятися у фериті і аустеніті, знаходитися у вільному стані (графіті), у зв’язаному вигляді (цементиті) або у частково зв’язаному та переважно у вільному стані. В залежності від цього та від форми графіту, яка зумовлюється технологією виробництва, розрізняють білі, половинчасті, сірі, високоміцні та ковкі чавуни. Білийчавун. У білих чавунах весь вуглець знаходиться у зв’язаному вигляді (Fe 3 C), а процеси кристалізації та структурні перетворення в них визначаються за допомогою метастабільної діаграми (Fe-Fe 3 C). Вміст вуглецю визначає структурні класи білих чавунів: доевтектичні С, евтектичні (4,3%), заевтектичні ( > 4,3%). Велика кількість цементиту в структурі білих чавунів (64% при вмісті С) зумовлює їх значну твердість (НВ 540...550), низьку пластичність та неможливість обробки різанням. Їх велика твердість забезпечує підвищену зносостійкість в умовах абразивного зношування. Відливки з відбіленого чавуну мають у поверхневому шарі структуру білого чавуну, а в серцевині - сірого або високоміцного. Із білого та відбіленого чавунів виготовляють прокатні валки, кулі млинів для помолу руди. Білі та відбілені чавуни не маркуються. Половинчастічавуни займають проміжне положення між білими та сірими. Понад 0,8 Су цих чавунах зв’язано у вигляді Fe 3 C; їх структура - перлит, ледебурит і графіт. Сірийчавун (ДСТУ2891-94). У сірих чавунах графіт на площині шліфа має пластинчасту форму. Кристалізація та структурні 54 перетворення в цих чавунах відбуваються відповідно до стабільної діаграми (Fe-C) (рис. 5.1). При температурі нижче С утворюється аустенітно-графітна евтектика, а нижче С - ферито-графітний евтектоїд. Технічні чавуни, окрім заліза та вуглецю, містять кремній, марганець, алюміній тощо, тобто є багатокомпонентними сплавами, в яких евтектичне та евтектоїдне перетворення відбуваються в інтервалі температур. Рисунок 5.1 – Стабільна діаграма стану залізо-графіт (штрихові лінії) В реальних умовах охолодження перетворення відрізняються від перетворень з безмежно малою швидкістю охолодження (тобто рівноважних). Структура відливок залежить від хімічного складу та швидкості охолодження при кристалізації та евтектоїдному перетворенні. Елементи-графітизатори (кремній, нікель, мідь, алюміній) сприяють збільшенню кількості графіту, а карбідоутворювачі (хром, ванадій, марганецьтощо) - підвищенню кількості цементиту (відбілюванню чавуну). Через те, що в цементиті вміст вуглецю 6,67 %, а в графіті 100%, кінетично більш ймовірно утворення Fe 3 C, не дивлячись нате, що термодинамічно стабільною фазою є графіт (правило Освальда). Тому при швидкому охолодженні можливо утворення цементиту та структури білого чавуну. Зменшення швидкості охолодження сприяє процесу графітизації, тобто діє аналогічно уведенню кремнію та алюмінію. Структура чавунних відливків визначається за допомогою діаграм, що показують залежність структури від хімічного складу чавуну та товщини (швидкості охолодження) відливок. Уза л еж нос т і в і д структур им е тале во ї основ и с і р і ч а в у ни под і ля ют ь с я на − феритні: структура основи - ферит, практично весь вуглець (за винятком розчиненого у фериті) знаходиться у графіті; − ферито-перлитні: структура основи - ферит і перлит. У зв’язаному стані знаходиться ≤ 0,7% вуглецю (в цементиті перлиту − перлитні: структура основи - перлит. У цих чавунах 0,7% вуглецю знаходиться в цементиті перлиту. Механічні властивості сірих чавунів залежать від форми, розміру графітних частинок та структури основи. Пластинчастий графіт уявляє собою надрізи (мікротріщини), що знижують границю міцності при розтягуванні, при цьому чим дисперсніші графітні частинки, тим вище властивості чавуну. Введення в чавун модифікаторів першого роду приводить до збільшення кількості центрів графітизації та подрібнення частинок графіту. Присутність у чавунах великої кількості мікронадрізів робить їх малочутливими до концентраторів напружень, шорсткості поверхні деталей. Графіт сприяє утворенню крихкої стружки і тим поліпшує обробку чавунів різанням. Чавуни мають високу демпфірувальну здатність (добре гасять коливання). Крім цього, графіт - гарне мастило, у зв’язку з чим він підвищує антифрикційні властивості чавуну. Структура металевої основи впливає на границю міцності при стисненні, твердість, зносостійкість, які збільшуються при зростанні кількості перлиту. Ферит, навпаки, зменшує міцність та зносостійкість чавунів. Сірі чавуни використовуються як матеріал для виготовлення мало- та середньонавантажених опор, деталей сільськогосподарських машин, верстатів, автомобілів, тракторів, станин електродвигунів тощо. Згідно ГОСТ 1412-85 сірий чавун маркується літерами СЧ та цифрами, що характеризують нижнє значення границі міцності при розтягуванні. Наприклад, чавун СЧІ5 має σ В ≥ 150МПа (15 кгс/мм 2 ). Властивості чавунів, у тому числі й сірих, можуть бути значно покращені модифікуванням. Мод и ф і ку ванн я - це введення спеціальних добавок при плавленні або при розливанні сплавів з метою поліпшення їх структури та властивостей. За впливом на процеси кристалізації розрізняють модифікаториІ таІІроду. МодифікаториІроду у вигляді важкотопких дисперсних частинок оксидів, нітридів, карбідів тощо - це додаткові центри кристалізації (графітизації). Вони зумовлюють утворення дрібних зерен перлиту та частинок графіту малого розміру в сплаві. Для чавунів модифікатори І роду це - силікокальцій, титан, цирконій, феросиліцій або силікоалюміній (0,5…0,8 %). МодифікаториІІроду - це поверхнево-активні речовини. Їх атомний розмір набагато перевищує розмір атомів заліза, тому вони знаходяться не в твердому розчині, а на міжфазній поверхні. Внаслідок цього поверхнево-активні елементи зменшують поверхневу енергію межі поділу “рідина-тверда фаза, що зменшує критичний розмір зародка та змінює форму. Так, наприклад, введення в ківш, в струмінь розтопу або в ливарну форму поверхнево-активних елементів магнію, церію сприяє глобуляризації частинок графіту у чавуні. Високоміцнийчавун (ДСТУ 3925-99). Графіт у цих чавунах має глобулярну форму внаслідок модифікування магнієм чи церієм (0,03...0,07%). Така форма графіту сприяє одночасному підвищенню характеристик міцності та пластичності. Відносне видовження високоміцних чавунів у залежності від марки може змінюватися від 2 до 12%. Структура металевої основи високоміцних чавунів може бути феритною, перлитно-феритною або перлитною. Найвища пластичність ( δ≤ 12%) характерна для феритних, а найбільша твердість і міцність В МПа) - для перлитних високоміцних чавунів. Високоміцні чавуни застосовуються як матеріали для відповідальних деталей, що працюють в умовах дії ударних і знакозмінних напружень та зношування: колінчасті вали, деталі прокатних станів, траверси пресів, корпуси компресорів, крупногабаритні штампи, шестерні, ступиці коліс тощо. Такі чавуни маркуються літерами ВЧ та числами. Наприклад, ВЧ - 12, ВЧ - 5, ... ВЧ - 2, де числа - це нижня границя міцності при розтягуванні МПа) та відносне видовження (%). Ковкийчавун (ГОСТУ ковких чавунах графіт має пластівчасту форму, що є наслідком графітизаційного відпалення 57 доевтектичних білих чавунів (2,4...2,9 С, 1,0...1,6 %Si, 0,3...1,0 %Mn). Графіт такої форми, в порівнянні з пластинчастим, менше знижує міцність металевої основи, тому в ковких чавунах відносне видовження досягає значень 2...12 %. Структура білих чавунів, призначених для відпалення на ковкі: ледебурит, перлит і цементит вторинний. Їх хімічний склад відрізняється від сірих чавунів меншим вмістом вуглецю та кремнію. Графітизаційне відпалення проводять у дві стадії: відливки, запаковані в ящики або завантажені в піч із захисною атмосферою, нагрівають до температури першої стадії 950...1000 С. На початку ізотермічної витримки структура відливок А+Л+Ц ІІ . Через те, що термодинамічно стабільною є фазова суміш А+Г, а не А+Ц, у процесі витримки внаслідок розчинення Fe 3 C флуктаційно з’являються та ростуть зародки графіту. Після завершення першої стадії структура чавуну А+Г. При охолодженні від 1000 С надлишок вуглецю виділяється з аустеніту (згідно лінії діаграми ES), який нашаровується на графітних частинках чи утворює цементит вторинний. Перетворення останнього (Fe 3 C → → → → А+Г) призводить до росту графітних частинок (проміжна стадія). Чавуни - багатокомпонентні сплави, евтектоїдне перетворення в яких проходить в інтервалі С. Тому при повільному охолодженні в цьому інтервалі температур або довготривалій ізотермічній витримці при С проходить друга стадія графітизації. При цьому можливе перетворення аустеніту в перлит із наступним перетворенням його цементиту на ферит і графіт або безпосереднє перетворення аустеніту на ферито-графітну суміш. В залежності від повноти графітизації на другій стадії внаслідок відпалення одержують перлито-феритні або феритні чавуни. Якщо у відливках не відбувається друга стадія - отримують перлитні ковкі чавуни. З ковких чавунів виготовляють деталі машин, на які діють вібраційні, знакозмінні та ударні навантаження: картери задніх мостів автомобілів, картери редукторів, гаки, штампи холодного деформування тощо. Маркуються ковкі чавуни літерами КЧ та двома числами, з яких перше - нижнє значення границі міцності при розтягуванні (кгс/мм 2 ), а друге - відносне видовження (%), наприклад, КЧ 35-10. 58 5.2 Завданнянапідготовкудолабораторноїроботи Накреслити діаграму Fe-C (на сторінку); описати властивості графіту, вплив його форми та розмірів на властивості чавунів; маркування та призначення чавунів; класифікацію чавунів за структурою металевої основи; графітизаційне відпалення (графік) білих чавунів на ковкі; мета модифікування чавунів. 5.3 Контрольнізапитаннядлясамоперевіркиіконтролюпідготовленостідо лабораторної роботи 5.3.1. Завдяки яким властивостям чавун знаходить широке застосування як конструкційний матеріал ? 5.3.2. Як класифікують чавуни в залежності від форми графіту та структури металевої основи ? Їх вплив на властивості чавуну. 5.3.3. Властивості білих чавунів, їх призначення. Згідно з якою діаграмою стану кристалізуються білі чавуни ? 5.3.4. Фактори, що впливають на структуру металевої основи чавуну? 5.3.5. Згідно з якою діаграмою стану кристалізується сірий чавун ? 5.3.6. Як одержати високоміцний та ковкий чавун ? 5.3.7. Що таке модифікування чавунів ? Назвіть модифікатори І та ІІ роду. 5.3.8. Які фазові перетворення відбуваються на першій та другій стадіях графітизаційного відпалення ? 5.3.9. Як маркуються та для яких деталей застосовуються сірі, високоміцні та ковкі чавуни ? 5.4 Матеріали, інструменти, приладитаобладнання Робота виконується на зразках доевтектичного, евтектичного та заевтектичного білих чавунів та чавунів: СЧ 15, ВЧ 600 - 3, КЧ 35-10, КЧ 30-6, КЧ 40-3. Для визначення твердості використовується прилад ТК-2, для дослідження структури – оптичні мікроскопи МІМ-5 та МІМ-7. 5.5 Вказівкизтехнікибезпеки Робота виконується відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки (додаток А. 5.6 Порядокпроведеннялабораторноїроботи 5.6.1 Провести мікроскопічне дослідження шліфів. Порівнюючи мікроструктури зразків із фотографіями структур чавунів, що наведені в альбомах, визначити марку чавуну. 59 5.6.2 Схематично зарисувати структури переглянутих сплавів, вказати структурні складові та, користуючись довідниковими даними, виписати біля кожної структури хімічний склад, твердість та призначення сплаву. 5.6.3 На 3...4 зразках чавунів із відомою кількістю перлитної складової, визначити твердість НRВ, перевести НRВ в НВ. 5.6.4 За експериментальними даними побудувати та обґрунтувати графік залежності “твердість - кількість перлиту. 5.6.5 За допомогою структурної діаграми визначити необхідний вміст кремнію для одержання феритної, ферито-перлитної чи перлитної структури металевої основи у двох відливках із сірого чавуну товщиною 10 та 100 мм (при вмісті вуглецю 3%). Таблиця 5.6 – Вплив хімічного складу та швидкості охолодження на структуру сірого чавуну Вміст Si, % (мас.), для отримання структури Товщина відливки, мм Ф+Г Ф+П+Г П+Г 10 100 5.7 Змістзвіту Завдання п. 5.2, рис. 5.1, графік графітизаційного відпалення, схеми мікроструктур досліджених зразків чавунів, графік залежності “твердість - кількість перлиту, табл. 5.6, висновки і пояснення. 5.8 Рекомендованалітература [ 1 ] , с. 217-224; [ 2 ] , с. 147-156; [ 3 ] , с. -; [ 4 ] , с. 203-222; [ 5 ] , с. 144-156; [ 6 ] , с. 165-175. |