Контрольная по материаловедению. Тананыкин. Занятие 2 по дисциплине м атериаловедение и технологии конструкционных материалов
 Скачать 494.35 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра "Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы" Практическое занятие № 2 ПО ДИСЦИПЛИНЕ «М АТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ » Преподаватель: Игнатьева Елена Олеговна Выполнил студент: Тананыкин Данил Павлович С АМАРА 2022 Г 1. Определить нетравленные образцы и изучить под микроскопом на непротравленных шлифах форму графитных включений (трех образцов). Сделать схематические зарисовки структуры чугунов. По форме графитных включений установить тип чугуна (серый, ковкий, высокопрочный). 2. Определить травленные графитные чугуны и изучить микроструктуру (трех образцов) графитных чугунов. Установить по форме графитных включений тип чугунов. Определить структуру металлической основы (ферритная, перлито-ферритная или перлитная). Вариант 1 3. Привести (для каждого типа) маркировку чугунов, указать их основные механические свойства и область применения. СЧ 30 (серый чугун) применяется для деталей, работающих при высоких динамических и статических нагрузках или в тяжелых условиях износа: шестерни, звездочки, храповики, шпиндели и т.д. КЧ 30-6 применяется для деталей, работающих в условиях низких статических и динамических нагрузок: головки, гайки, глушители, клапаны и т.д. ВЧ 50 применяется для таких деталей как: коленчатые валы автомобильных и тракторных двигателей, картеры, шестерни, звездочки, тормозные диски, прокатные валки и т.д. 4. Выявить травленный белый чугун. определить структуру, интервал содержания углерода и тип белого чугуна (доэвтектический, эвтектический и заэвтектический). Интервал содержания углерода в белом заэвтектическом чугуне: заэвтектические (4,3% < C < 6,67%), структура ледебурит + цементит первичный (Л + Ц I ) Контрольные вопросы 1. В чем различие между сталями и чугунами? По составу чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам - лучшими литейными качествами и малой способностью к пластической деформации. 2. Особенности структурных превращений при кристаллизации и последующем охлаждении чугунов до комнатной температуры. Согласно диаграмме Fe – Fe 3 C, белые чугуны в зависимости от количества углерода подразделяются по микроструктуре на эвтектические (содержащие 4,3% углерода), доэвтектические (с содержанием углерода от 2,14 % до 4,3 %) и заэвтектические (с содержанием углерода более 4,3%). Чугуны эвтектического состава называются ледебуритными и представляют собой в момент образования в метастабильной системе механическую смесь аустенита состава точки Е и цементита. Формирование эвтектики происходит при температуре 1147 С по реакции Ж С ѕ 1 ѕ 147 ѕ® А + Ц ( L ) . При дальнейшем охлаждении, вплоть до температуры эвтектоидного превращения (линия PSK), состав аустенита изменяется по линии SE с одновременным выделением цементита вторичного (Ц II ). При температуре 727 С происходит эвтектоидное превращение аустенита состава точки S в перлит (механическая смесь феррита состава точки Р и цементита) по реакции A P ѕ 7 ѕ 27 ® Ф + Ц . В процессе охлаждения до комнатной температуры состав феррита изменяется по линии PQ с выделением цементита третичного (Ц III ). При комнатной температуре эвтектика (ледебурит) состоит из механической смеси феррита состава точки Q и цементита. 3. Строение и свойства белых, серых, ковких и высокопрочных чугунов. Серый чугун. Структура не оказывает влияние на пластичность, она остается чрезвычайно низкой. Но оказывает влияние на твердость. Механическая прочность в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций. Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами. В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок (ГОСТ 1412). Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию. Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца –0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %. Структура металлической основы зависит от количества углерода и кремния. С увеличением содержания углерода и кремния увеличивается Е Р степень графитизации и склонность к образованию ферритной структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны. Ковкий чугун. Ковким называется чугун в отливках, изготовленных из белого чугуна и подвергнутых последующему графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Ковкий чугун обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, удовлетворительно работает при низких температурах. Механические свойства ковкого чугун определяются структурой металлической основы, количеством и степенью компактности включений графита. Металлическая основа ковкого чугуна в зависимости от типа термообработки может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. Наиболее высокими свойствами обладает ковкий чугун, имеющий матрицу со структурой зернистого перлита; им можно заменять литую или кованую сталь. В тех случаях, когда требуется повышенная пластичность, применяют ферритный ковкий чугун. Высокопрочный чугун. Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293) могут иметь ферритную (ВЧ 35), феррито-перлитную (ВЧ45) и перлитную (ВЧ 80) металлическую основу. Получают эти чугуны из серых, в результате модифицирования магнием или церием (добавляется 0,03…0,07% от массы отливки). По сравнению с серыми чугунами, механические свойства повышаются, это вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряжений из-за шаровидной формы графита. Чугуны с перлитной металлической основой имеют высокие показатели прочности при меньшем значении пластичности. Соотношение пластичности и прочности ферритных чугунов - обратное. Высокопрочные чугуны обладают высоким пределом текучести, , что выше предела текучести стальных отливок. Также характерна достаточно высокая ударная вязкость и усталостная прочность, , при перлитной основе. Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8 %, кремния – 1,9…2,6 %, марганца – 0,6…0,8 %, фосфора – до 0,12 %, серы – до 0,3 %. Эти чугуны обладают высокой жидкотекучестью, линейная усадка – около 1%. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна. Из-за высокого модуля упругости достаточно высокая обрабатываемость резанием. Обладают удовлетворительной свариваемостью. Белый чугун— вид чугуна, в котором углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск. В структуре такого чугуна отсутствуют видимые включения графита. Основная металлическая масса белого чугуна состоит из цементитной эвтектики, вторичного и эвтектоидного цементита, а легированного белого чугуна — из сложных карбидов и легированного феррита. Отливки белого чугуна обладают износостойкостью, относительной жаростойкостью и коррозионной стойкостью. Наличие в части их сечения структуры, отличной от структуры белого чугуна, понижает эти свойства. Прочность белого чугуна снижается с увеличением содержания в нём углерода, а следовательно, и карбидов. Твёрдость белого чугуна возрастает с ростом доли карбидов в его структуре, а следовательно, и с увеличением содержания углерода. Наивысшую твёрдость имеет белый чугун с мартенситной структурой основной металлической массы. Коагуляция карбидов резко снижает твёрдость чугуна. При растворении в карбиде железа примесей и образовании сложных карбидов твёрдость их и белого чугуна повышается. По интенсивности влияния на твёрдость белого чугуна основные и легирующие элементы располагаются в следующей последовательности, начиная с углерода, определяющего количество карбидов и интенсивнее иных элементов увеличивающего твёрдость чугуна. C — Ni — P — Mn — Cr — Mo — V — Si — Al — Cu — Ti — S. Действие никеля и марганца, а отчасти хрома и молибдена, обуславливается их влиянием на образование мартенситно — карбидной структуры и содержание их в количествах, соответствующих содержанию в чугуне углерода, обеспечивает максимальную твёрдость белого чугуна. Особо высокий твёрдостью НВ 400—500 обладает чугун с содержанием 0,7- 1,8 % бора. Белый чугун является весьма ценным материалом для деталей, работающих в условиях износа при очень высоких удельных давлениях и преимущественно без смазки. Прямая зависимость между износостойкостью и твёрдостью отсутствует; твёрдость не определяет износостойкость, но должна учитываться в совокупности со структурой чугуна. Лучшей износостойкостью обладает белый чугун с тонким строением основной металлической массы, в которой в виде отдельных мелких и равномерно распределённых включений или в виде тонкой сетки расположены карбиды, фосфиды и пр. Структура основной металлической массы определяет и специальные свойства легированного чугуна — его коррозионную стойкость, жаропрочность, электросопротивление. В зависимости от состава и концентрации легирующих элементов, основная металлическая масса легированного белого чугуна может быть карбидо- аустенитной, карбидо-перлитной и, помимо этого, содержать легированный феррит. Основным легирующим элементом при этом является хром, связывающий углерод в карбиды хрома и сложные карбиды хрома и железа. Твёрдые растворы этих карбидов обладают высоким электродным потенциалом, близким к потенциалу второй структурной составляющей основной металлической массы чугуна — хромистого феррита, а возникающие защитные окисные плёнки определяют повышенную коррозионную стойкость высокохромистого белого чугуна. В присутствии хрома как дополнительного компонента существенно повышается температурная стойкость карбидов в связи со значительным замедлением диффузионных процессов при комплексном легировании. 4. Сущность и назначение модифицирования чугунов. Модифицирование - введение в расплав чугуна в небольших количествах специальных добавок - модификаторов, которые способствуют измельчению пластин графита или получению частиц графита в форме шара. В результате модифицирования механические свойства чугуна улучшаются: возрастает прочность, пластичность и вязкость. 5. Каковы необходимые условия для графитизации? Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении чугунов. Графитизация чугуна и ее полнота зависит от скорости охлаждения, химического состава и наличия центров графитизации. Влияние скорости охлаждения обусловлено тем, что графитизация чугуна протекает очень медленно и включает несколько стадий: бразование центров графитизации в жидкой фазе или аустените; диффузия атомов углерода к центрам графитизации; рост выделения графита. При графитизации цементита добавляются стадии предварительного распада Fe3C и растворение углерода в аустените. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации. 6. Как получается ковкий чугун? Получают отжигом белого доэвтектического чугуна. Хорошие свойства у отливок обеспечиваются, если в процессе кристаллизации и охлаждения отливок в форме не происходит процесс графитизации. Чтобы предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния. Ковкие чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора – до 0,2 %, серы – до 0,1 %. Формирование окончательной структуры и свойств отливок происходит в процессе отжига, схема которого представлена на рис. 1. Рис. 1. Отжиг ковкого чугуна. Отливки выдерживаются в печи при температуре 950…1000 С в течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита: . Структура после выдержки состоит из аустенита и графита (углерод отжига).При медленном охлаждении в интервале 760…720 o С, происходит разложение цементита, входящего в состав перлита, и структура после отжига состоит из феррита и углерода отжига (получается ферритный ковкий чугун).(режим а, рис. 1). При относительно быстром охлаждении (режим б, рис. 1) вторая стадия полностью устраняется, и получается перлитный ковкий чугун. Структура чугуна, отожженного по режиму в, состоит из перлита, феррита и графита отжига (получается феррито-перлитный ковкий чугун) Отжиг является длительной 70…80 часов и дорогостоящей операцией. В последнее время, в результате усовершенствований, длительность сократилась до 40 часов. 7. Классификация, маркировка и области применения чугунов. В зависимости от состояния углерода в чугуне различают: белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск; графитный чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8 % углерода. Из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет; половинчатый – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2 % углерода находится в форме цементита. Мало используется в технике. В зависимости от степени графитизации, состава и структуры различают следующие виды чугунов: Белые, серые, ковкие и высокопрочные чугуны. Серый чугун. Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении - блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления. Обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на . Так СЧ15 имеет предел прочности σ в =150Мпа. Ковкий чугун. Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки. Обозначаются индексом КЧ (ковкий чугун) и двумя числами, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на , а второе – относительное удлинение. КЧ 30 - 6 имеет предел прочности σ в =300 МПа и относительное удлинение δ = 6%. Высокопрочный чугун. Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы. Отливки коленчатых валов массой до 2..3 т, взамен кованых валов из стали, обладают более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, обладают лучшими антифрикционными свойствами и значительно дешевле. Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на . Так ВЧ10 имеет предел прочности σ в =100 МПа. Белый чугун. Белый чугун вследствие низких механических свойств и хрупкости имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. |