Программа для чтения pdfфайлов. Загл с этикетки диска
 Скачать 5.98 Mb.
|
|
Цель работы 1. Ознакомиться с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов и изучить природу превращений в углеродистых сталях при медленном непрерывном охлаждении. 2. Изучить микроструктуру углеродистых сталей в равновесном состоянии. 3. Изучить влияние содержания углерода на механические свойства медленно-охлажденных сталей. Задание 1. Построить диаграмму состояния системы Fe-Fe 3 C. 2. Выполнить индивидуальное задание - построить кривую охлаждения железоуглеродистого сплава с содержанием углерода, указанным преподавателем. 93 3. Исследовать с использованием микроскопа контрольные шлифы сталей, определить их фазовый состав, структуру и примерное содержание углерода. Зарисовать микроструктуры исследованных сталей. Порядок оформления отчета В отчете приводятся: 1. Цель работы и задание по ее выполнению. 2. Кривая охлаждения для стали с заданной концентрацией углерода. 3. Рисунки микроструктур - доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектодной углеродистой стали и их анализ. 94 Контрольные вопросы 1. Аллотропические модификации железа. 2. Интервалы температур существования Feα и Feγ. 3. Точка Кюри. 4. Два класса железо-углеродистого сплава. Содержание углерода для каждого. 5. Техническое железо. 6. Доэвтектоидные стали. Определение. 7. Эвтектоидные стали. Определение. 8. Заэвтектоидные стали. Определение. 9. Диаграмма «железо-цементит». 10. Первичная кристаллизация стали. 11. Вторичная кристаллизация стали. 12. Определение: аустенит, феррит, цементит, перлит. 13. Структура доэвтектоидной стали. 14. Структура эвтектоидной стали. 15. Структура заэвтектоидные стали. 16. Методика определения содержания углерода по микроструктуре шлифа. 17. Порядок проведения работы. 95 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5 «МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ И СВОЙСТВА ЧУГУНОВ» Чугун – сплав железа с углеродом , в котором содержится более 2,14% углерода. В отличие от стали чугун обладает более высокими литейными свойствами, малой способностью к пластической деформации, образованием эвтектики в процессе кристаллизации и низкой стоимостью. Выплавка чугуна осуществляется в доменных печах, вагранках и электропечах. Чугуны, выплавляемые в доменных печах, делятся на предельные, специальные (ферросплавы) и литейные. Предельные и специальные чугуны применяют для последующей выплавки стали и чугуна, а литейные – переплавляют в вагранках и электропечах для изготовления литья. В составе литейного чугуна содержится не более 4,0% углерода и примеси S, P, Mn, Si, присутствующие в значительно большем количестве, чем в углеродистой стали [5]. В зависимости от состояния и формы, в котором находится выделившейся углерод, разделяют четыре основных вида чугуна [1, 2, 5]: белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита, что придают его излому белый цвет и характерный блеск; серый чугун, в котором полностью весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, а углерод, находящийся в связанном состоянии составляет не более 0,8%. высокопрочный чугун, в котором весь углерод или его значительная часть находится в свободном состоянии в виде шаровидного графита; ковкий чугун, в котором весь углерод или его значительная 96 часть находится в свободном состоянии в виде хлопьевидного графита. Получают путем отжига из белого чугуна. Графит является одной из аллотропных модификаций углерода, имеет слоистую структуру (рисунок 5.1) и обладает весьма низкой прочностью и пластичностью. Рисунок 5.1 – Кристаллическая структура графита Процесс графитизации Образование графита в железоуглеродистых сплавах происходит в процессе графитизации: при непосредственном выделении из жидкого (твердого) раствора или в результате распада предварительно образовавшегося цементита. На рисунке 5.2 представлена диаграмма состояния стабильного равновесия сплавов Fe – C, на которой пунктирными линиями обозначено выделение графита, а сплошными – выделение цементита. 97 Рисунок 5.2 – Диаграмма состояния Fe – C: сплошные линии – цементитная система (метастабильная); пунктирные линии – графитная система (стабильная) Как видно на рисунке 5.2 образование аустенитно-графитных и феррито-графитных смесей происходит при более высоких температурах. Линия C’D’ соответствует температурам кристаллизации первичного графита. При температуре 1153°C (линия E’C’F’) образуется эвтектика (аустенит + графит) с содержанием углерода 4,26%. Линия E’S’ соответсвует температурам, при которых выделяется вторичный графит. При температуре 738°C (линия P’S’K’) образуется эвтектоид (феррит + графит), содержащий 0,7% С [1]. Движущей силой процесса графитизации является стремление системы уменьшить запас свободной энергии (рисунок 5.3). Кинетически вероятность 98 образования цементита, состоящего из 6,67% углерода, из аустенита или из жидкости выше, чем образование графита, в составе которого только атомы углерода. Однако, с термодинамической точки зрения графит является более устойчивой фазой, в отличие от цементита и если кинетические условия не позволят образоваться структуре графита сразу, то он станет продуктом распада цементита при вторичной реакции. Рисунок 5.3 – Схема изменения свободной энергии при графитизации чугуна В основном образование графита происходит только при очень маленкой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика [1]. Ниже температуры 1147°C процесс кристаллизации сопровождается образованием цементита, так как для данной структуры кинетические условия более выгодные. В этом случае графит будет вторичным продуктом, образуемым вследствие распада цементита. В интервале температур 1147–1153°C кристаллизациия сопровождается образованием аустенитно-графитной смеси непосредственно из жидкости. Аналогично происходит выделение цементита или графита из аустенита. Переохлаждение аустенита ниже 727°C, сопровождается его 99 распадом с выделением ферритно-цементитной смеси, а его медленное охлаждение способствует выделению графита из аустенита и образованию эвтектоидного графита в интервале температур 727–738°C. Образование аустенитно-графитных и ферритно-графитных смесей происходит в узком интервале температур, между линиями стабильной и метастабильной диаграмм (рисунок 5.2). Белый чугун Вследствие большого количества цементита белый чугун обладает высокой твердостью (HB 450-550) и прочностью, но при этом достаточно хрупкий и практически не поддается обработке режущим инструментом. Используется только для последующей переплавки в сталь и ковкий чугун [20]. Формирование белых чугунов происходит в условиях ускоренного охлаждения при переохлаждении жидкого чугуна ниже температуры 1147°C, в результате которого будет образовываться цементит. Первичная кристаллизация белых чугунов начинается на линии ликвидус BCD (рисунок 4.2). Согласно диаграмме состояния и получаемым структурам различают доэвтектические (2,14%<С<4,3%), эвтектические (С=4,3%) и заэвтектические (4,3%<С<6,67%) белые чугуны (рисунок 5.4– 5.6). 100 Рисунок 5.4. – Белый доэвтектический чугун Рисунок 5.5 – Белый эвтектический чугун Рисунок 5.6 – Белый заэвтектический чугун В процессе первичной кристаллизации в доэвтектических чугунах ниже линии BC из жидкого расплава (Ж) выделяются кристаллы аустенита (А), в заэвтектических ниже линии CD – кристаллы цементита первичного (Ц 1 ). С уменьшением температуры количество образовавшегося аустенита в доэвтектических чугунах и цементита в – заэвтектических возрастает. В связи с этим концентрация углерода в жидкой фазе доэвтектических чугунов растет, а заэвтектических - снижается. При температуре 1147°С (линия солидус ECF) происходит эвтектическое превращение (формула 5.1), при котором из жидкой фазы, содержащей 4,3% углерода, одновременно выделяются кристаллы аустенита и цементита. Ж 4,3% С А 2,14% С + Ц 6,67% С (5.1) Эвтектическая механическая смесь, состоящая из кристаллов аустенита и цементита с содержанием углерода 4,3%, называется ледебуритом (Л). Такая структура образуется только в белых чугунах. В момент кристаллизации эвтектики (линия ECF) белые чугуны имеют следующие структуры: аустенит + ледебурит (А+Л) – для доэвтектических чугунов; ледебурит (Л) – для эвтектических чугунов; 101 цементит первичный + ледебурит (Ц 1 +Л) – для заэвтектических чугунов. При понижении температуры ниже 1147°С в структуре доэвтектических чугунов кроме аустенита и ледебурита будут присутствовать кристаллы цементита вторичного, выделяемого из аустенита (А+Ц 2 +Л). Это связано с тем, что максимальная растворимость углерода в аустените составляет 2,14% и весь избыточный углерод, который не может растворить в себе аустенит выпадает в виде цементита. При вторичной кристаллизации (линия PSK) в чугунах происходит распад аустенита на феррито-цементитную смесь и, как следствие, структурное превращение ледебурита, который в этот момент становится уже механической смесью перлита и цементита, содержащей 4,3% С и имеет название ледебурит превращенный (Л пр ). Ниже линии PSK (727°С) структуры белых чугунов имеют следущий вид: перлит + цементит вторичный + ледебурит превращенный (П+Ц 2 +Л пр ) – для доэвтектических чугунов; ледебурит превращенный (Л пр ) – для эвтектических чугунов; цементит первичный + ледебурит превращенный (Ц 1 +Л пр ) – для заэвтектических чугунов. Серый чугун Свое название серый чугун получил вследствие большого количества содержащегося в нем графита, который придает его излому серый цвет. В соответствии с ГОСТ 1412-85 [21] данный вид чугуна имеет название чугун с пластинчатым графитом, содержание углерода в котором колеблется в диапазоне от 2,9 до 3,7% 102 Серый чугун обладает высокими литейными свойствами (хорошей жидкотекучестью и малой усадкой), и легко обрабатывается режущим инструментом, что в совокупности с низкой стоимостью определяет его широкое применение в машиностроении для изготовления литых деталей. На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится 80% общего производства чугунных отливок [20] Кроме того, он является высокодемпфирующим и антифрикционным материалом. Механические свойства серых чугунов во многом зависят от количества содержащегося в нем углерода, влияющего на структуру металлической основы и на количество графита в ней. С увеличением массовой доли углерода увеличивается количество образуемого графита и в результате снижаются механические свойства [1]. При этом серый чугун, содержащий максимально возможное количество графита будет обладать наиболее высокой демпфирующей способностью. В зависимости от строения металлической основы различают: ферритный серый чугун (рисунок 5.7), в структуре которого 0,02% углерода находится в связанном состоянии в виде феррита, а остальная часть в свободном состоянии в виде пластинчатого графита (феррит + графит); феррито-перлитный серый чугун (рисунок 5.8), в структуре которого до 0,8% углерода находится в связанном состоянии в виде цементита, а остальной в свободном состоянии в виде пластинчатого графита (феррит + перлит + графит); перлитный серый чугун (рисунок 5.9), в структуре которого 0,8% углерода находится в связанном состоянии в виде цементита, входящего в состав перлита, а остальной в свободном состоянии в виде пластинчатого графита (перлит + графит). 103 Рисунок 5.7 – Серый ферритный чугун Рисунок 5.8 – Серый феррито-перлитный чугун Рисунок 5.9 – Серый перлитный чугун По сравнению с металлической основой графит обладает низкой прочностью, поэтому места, где он располагается можно считать нарушениями сплошности, так как включения графита ослабляют металлическую основу чугуна. При испытаниях на растяжение включения графита с низкой механической прочностью выступают в роли концентраторов напряжений, исключающих возможность пластической деформации чугуна [5], поэтому относительное удлинение и ударная вязкость серых чугунов близки к нулю. Чаще всего серый чугун применяют при отливке изделий, которые не подвергаются изгибающим нагрузкам и для которых важна высокая прочность на сжатие (цилиндры, втулки и другие детали двигателей и станин). Ковкий чугун Термин «ковкий» данный вид чугуна получил благодаря своим более высоким пластическим свойствам по сравнению с серым чугуном. Технология получения литых деталей из ковкого чугуна включает в себя две операции [1, 5, 20]: 104 1. Получение фасонных отливок из белого чугуна; 2. Длительный графитизирующий отжиг, проводимый в две стадии (рисунок 5.10): 1 стадия – выдержка отливок при температуре 950-1000°С, во время которой происходит диффузионный распад цементита, входящего в состав ледебурита и установление стабильного равновесия аустенит + хлопьевидный графит (углерод отжига); 2 стадия – охлаждение отливок до интервала температур эвтектоидного превращения и последующее медленное охлаждение или длительная выдержка при температуре несколько ниже этого интервала. При охлаждении происходит выделение из аустенита вторичного цементита, а в процессе выдержки его распад с образованием феррита и хлопьевидного графита. Рисунок 5.10 – Графитизирующий отжиг белого чугуна для получения ковкого чугуна В результате такого отжига выделяемый в виде хлопьев графит придают чугуну высокую прочность и пластичность, а его излому 105 бархатисто-черный цвет. Если охлаждение ускорить, то в структуре чугуна сохраниться перлит, придающий излому светлый цвет, но такой ковкий чугун будет менее пластичным. В зависимости от степени распада цементита, определяемого условиями проведения отжига, структура металлической основы ковкого чугуна может быть: феррит – при полном распаде цементита, входящего в перлит и ледебурит; феррит + перлит или перлит – при частичном распаде цементита, входящего только в ледебурит. Структура металлической основы определяет класс ковкого чугуна, который в соответствии с ГОСТ 1215-79 [22] бывает ферритный (с ферритной или феррито-перлитной структурой металлической основы) и перлитный (с перлитной структурой металлической основы). Микроструктуры ковкого чугуна ферритного и перлитного класса представлены на рисунках 5.11 и 5.12 соответственно. Рисунок 5.11 – Микроструктура ковкого чугуна ферритного класса Рисунок 5.12 – Микроструктура ковкого чугуна перлитного класса 106 В отличие от стали ковкий чугун имеет лучшие литейный свойства, повышенную демпфирующую способность, меньшую чувствительность к надрезам и более низкую стоимость. Отливки из ковкого чугуна в результате отжига практически полностью свободны от остаточных напряжений. В сравнении с серым чугуном ковкий чугун обладает большей пластичностью, вязкостью и прочностью [20]. Однако, несмотря на все достоинства ковкого чугуна, его применение ограничено из-за толщины отливок, которая не должна превышать 50 мм, так как при толщине в сердцевине отливок образуется пластинчатый графит [1], а также вследствие высокой стоимости и большой продолжительности (несколько десятков часов [20]) графитизирующего отжига. В основном из ковкого чугуна изготавливают детали, работающие при ударных и вибрационных нагрузках (муфты, картеры, фланцы). 107 Высокопрочный (модифицированный) чугун Высокопрочный чугун или согласно ГОСТ 7293-85 [23] чугун с шаровидным графитом получают путем модифицирования, то есть введения в жидкий чугун перед разливкой в формы небольшого количества присадок (модификаторов), в качестве которых выступают щелочные или щелочноземельные металлы. Лучшим и наиболее часто применяемым модификатором является магний, введение которого в количестве до 0,5% [5] способствует кристаллизации графита в шаровидной форме. Шарообразная форма включений не является активным концентратором напряжений в отличие от пластинчатых включений с острыми краями, и, следовательно, в меньшей степени ослабляет металлическую основу чугуна, придавая ему высокую пластичность прочность и ударную вязкость. Однако в отличие от ковкого чугуна такие высокие механические свойства высокопрочного чугуна получают при менее сложных технологических операциях. Свойства высокопрочных чугунов близки к свойствам углеродистых сталей, при этом они дополнительно обладают хорошими литейными свойствами и обрабатываемостью резанием, способностью гасить вибрации и высокой износостойкостью. Структура металлической основы модифицированного высокопрочного чугуна может быть: - ферритной (рисунок 5.13, а); - феррито-перлитной (рисунок 5.13, б); - перлитной (рисунок 5.13, в). 108 а б в Рисунок 5.13 – Микроструктуры высокопрочных чугунов: а – на перлитной; б – феррито-перлитной; в – ферритной основе Из высокопрочного чугуна, модифицированного магнием можно получать отливки любых размеров, так как форма и распределение графита не зависят от скорости охлаждения отливок. Высокопрочный чугун применяют для изготовления ответственных деталей: зубчатые колеса, коленчатые валы. В таблице 5.1 для сравнения приведены механические свойства чугунов с разной формой графита. Характеристи- ка механических свойств Серый чугун (с пластинчатым графитом) ГОСТ 1412-85 Ковкий чугун (с хлопьевидным графитом) ГОСТ 1215-79 Высокопрочный чугун ( с шаровидным графитом) ГОСТ 7293-85 Феррит- ный Перлит- ный Феррит- ный Перлит- ный Феррит- ный Феррит- ный Пер- лит- ный СЧ15 СЧ35 КЧ30-6 КЧ80- 1,5 ВЧ35 ВЧ45 ВЧ80 Минимально е временное сопротивле- ние при растяжении, 150 (15) 350 (35) 294(30) 784 (80) 350 (35) 450 (45) 800 (80) |