Лабораторная работа №5
Изучение структуры и свойств углеродистых сталей в равновесном состоянии
Цель работы: изучить микроструктуру и свойства углеродистых сталей в равновесном состоянии, классификацию по назначению и маркировку.
Теоретические сведения
Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод. Кроме того, в них всегда содержатся кремний, марганец, сера и фосфор. В зависимости от содержания углерода сплавы называют сталями (если углерода менее 2,14%) или чугунами (при содержании углерода от 2,14% до 6, 67%).
В сталях углерод присутствует в виде цементита, а в чугунах в виде цементита (белый чугун) или графита (обыкновенный серый, ковкий и высокопрочный).
В структуре сталей и чугунов присутствуют также твердые растворы феррит и аустенит, механические смеси перлит и ледебурит. Подробная характеристика этих фаз и структурных составляющих приведена в предыдущей лабораторной работе.
Углеродистые стали
Основой для определения структурных составляющих углеродистых сталей в равновесном состоянии (после полного отжига) является диаграмма состояния системы “железо-углерод”.
Микроструктура стали в равновесном состоянии зависит от содержания в ней углерода (рис. 7.1.).

а б

в г
Рис. 7.1. Микроструктура углеродистых сталей:
а – сталь 20; б – сталь 40; в – сталь У8; г – сталь У12
По количеству углерода стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.
Доэвтектоидные стали – стали, содержащие от 0,02 до 0,80% углерода. Структура их состоит из феррита в виде светлых зерен и перлита (эвтектоидной механической смеси феррита и цементита) в виде мелких темных зерен. С повышением содержания углерода количество перлита пропорционально увеличивается, а феррита уменьшается.
По соотношению площадей, занимаемых в микроструктуре перлитом и ферритом, можно, пользуясь правилом рычага, приближенно определить содержание углерода в стали.
Пример: если перлит занимает примерно 25% площади шлифа, то содержание углерода будет

Доэвтектоидные сплавы с содержанием углерода до 0,02% называются техническим железом. Его структура состоит из феррита (при С=0,008%) или из феррита и третичного цементита (в сплавах с С=0,008 – 0,020%).
Механические свойства технического железа зависят от его чистоты и величины зерна и находятся в пределах: sВ=180 – 290 МПа; s0,2 = 90 – 170 МПа; d = 30 –50%; KCU = 180 – 250 Дж/ см2; НВ = 45 – 80. Малоуглеродистые доэвтектоидные стали по ГОСТ 1050 – 78 применяются, главным образом, для цементируемых изделий машиностроения. Среднеуглеродистые (стали 30, 40, 50) в термически обработанном виде – для различных машиностроительных деталей.
Эвтектоидная сталь – сталь с содержанием углерода 0,8%, состоит из перлита. Механические свойства перлита зависят от степени измельченности цементита. Среднепластичный перлит имеет следующие механические свойства: dВ = 900 МПа; s0,2 = 600 МПа; d = 15%; y = 30%; KCU = 20 Дж/ см2; НВ = 200.
Заэвтектоидные стали содержат 0,80 – 2,14% С. Структура – перлит и вторичный цементит, расположенный в виде тонкой светлой сетки (или цепочек светлых зерен) по границам зерен перлита. По площади вторичного цементита и площади перлита на шлифе можно определить примерное содержание углерода в стали.
Пример: если на поле шлифа вторичный цементит занимает примерно 10% площади, а перлит - 90%, то содержание углерода будет:

Эвтектоидные и заэвтектоидные углеродистые стали применяют для различных инструментов, предназначенных для механической обработки металлов, пластмасс, дерева и других материалов, измерительных и слесарных инструментов и др.
Чугуны.
Чугун – это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода от 2,14 до 6 %. Кроме этих элементов, в чугуне содержится еще ряд примесей (кремний, марганец, сера, фосфор и др.). С целью улучшения свойств в чугуны могут вводиться легирующие элементы, такие как хром, никель, медь и др.
Чугун, по сравнению со сталью, имеет как преимущества, так и недостатки. Положительными свойствами этого материала являются: хорошие литейные свойства (более низкая, чем у стали, температура плавления, меньшая усадка, хорошая жидкотекучесть), хорошая обрабатываемость резанием (кроме одной разновидности – белого чугуна), достаточно высокая работоспособность в условиях трения, способность гасить вибрации, небольшая стоимость.
Недостатком чугуна являются его низкие пластические свойства и ударная вязкость, что препятствует использованию чугуна для изготовления деталей, работающих при значительных динамических, ударных нагрузках, и делает невозможным в большинстве случаев использование обработки давлением (ковки, штамповки, прокатки и т. д.) для изготовления чугунных изделий.
По структуре различают чугуны, в которых углерод находится в виде химического соединения с железом Fe3С – цементита, и чугуны, в которых весь углерод, или большая его часть, находится в свободном состоянии, в виде графита.
Первая разновидность называется белым чугуном. Структура белых чугунов отражена на диаграмме железо-углерод (рис.6.1.).
В зависимости от содержания углерода белые чугуны разделяют на три группы:
доэвтектические – с содержанием углерода от 2,14 до 4,3%;
эвтектические – с содержанием углерода 4,3%;
заэвтектические – с содержанием углерода от 4,3 до 6,67% (рис.3.4).
Белые чугуны имеют очень высокую твердость и не поддаются обработке резанием. В машиностроении их применяют только для деталей, подвергающихся обработке шлифованием (валки холодной прокатки), или для изделий, используемых без всякой механической обработки (грузы, противовесы, мелящие тела). В ряде случаев изготавливают детали с так называемой отбеленной поверхностью. Их поверхностный слой представляет собой белый чугун и имеет повышенную твердость и износостойкость, а сердцевина имеет структуру другой разновидности чугуна (с наличием графита), что обеспечивает необходимый комплекс механических свойств. Примерами таких изделий с отбеленной поверхностью являются валки для холодной прокатки металла, шары для шаровых мельниц.
Термической обработкой белый чугун перерабатывают в ковкий чугун.

а б в
Рис. 7.2. Микроструктура белых чугунов:
а – доэвтектический (ледебурит + перлит)
б – эвтектический (ледебурит)
в – заэвтектический (ледебурит + цементит)
Чугуны, в которых углерод находится в свободном виде, классифицируют по форме графитовых включений:
1.	Серый обыкновенный чугун. В нем содержится графит в виде пластинчатых включений.
2.	Ковкий чугун с хлопьевидными включениями графита.
3.	Высокопрочный чугун, в котором графит имеет шаровидную форму.
Поскольку графитовые включения отрицательно сказываются на механических свойствах металла, особенно на пластичности, то чем менее разветвленную форму они имеют, тем меньше их отрицательное влияние. Самая неудачная, с точки зрения механических свойств, форма графита – пластинчатая (пластичность при этом самая низкая), а наиболее благоприятная – шаровидная форма включений, обеспечивающая максимальную пластичность (рис.7.3.). Это связано с тем, что графитовые включения играют роль трещин, пустот в чугуне и являются концентраторами напряжений. Чем более компактную форму имеют эти включения, тем более «мягкий» получается концентратор напряжений и тем меньше снижение механических свойств металла за счет графита.
Г

рафитные включения располагаются на металлической основе, которая может бытьперлитной, ферритной или феррито-перлитной.
Рис. 7.3. Схемы микроструктур серого обыкновенного, ковкого и высокопрочного чугунов
Серый обыкновенный чугун получают при медленном охлаждении металла при литье изделий, а также при повышенном содержании кремния, углерода. Обозначается он буквами СЧ, после которых ставится цифра, показывающая предел прочности при растяжении sв в кг/мм2 (ГОСТ 1412-85). Например, СЧ12 (sв = 12 кг/мм2 или 120 ПМа). Применяется серый чугун для изготовления слабонагруженных деталей, работающих в легких условиях. Например, корпуса редукторов, насосов, электродвигателей, различные крышки, отопительные батареи и т.п.
Ковкий чугун получают из белого чугуна путем специального графитизирующего отжига (томление). Это длительная термическая обработка, при которой белый чугун медленно нагревается до температур 950-1000 °С , выдерживается длительное время и охлаждается. При таком отжиге происходит графитизация цементита белого чугуна с образованием хлопьевидных включений графита. После томления отливок в зависимости от скорости охлаждения, при температуре немного ниже 727оС, получают ковкий чугун с различными структурами металлической основы:
при очень медленном охлаждении – ферритный;
при ускоренном охлаждении – ферритно-перлитный;
при быстром охлаждении – перлитный.
Обозначается ковкий чугун буквами КЧ, после которых следуют цифры, показывающие предел прочности при растяжении sв в кг/мм2 – первая цифра, и относительное удлинение d в % – вторая цифра . Например, КЧ30-6 (sв = 300МПа, d = 6 %). Применяется ковкий чугун для изготовления деталей, работающих в более тяжелых условиях по сравнению с деталями из серого чугуна ‑ при повышенных нагрузках, при знакопеременных и небольших ударных нагрузках. Например, картеры редукторов, коробок передач автомобилей, кронштейны рессор, различные крюки, фланцы и т.п.
Недостаток ковких чугунов- повышенная по сравнению с остальными чугунами стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига.
Высокопрочный чугун получают путем модифицирования его при выплавке магнием или церием в количестве 0,05 %. Модификаторы способствуют формированию шаровидных включений графита. Обозначаются высокопрочные чугуны буквами ВЧ и цифрой, показывающей предел прочности при растяжении sв .Например, ВЧ80 ((sв = 800 МПа). Применяется высокопрочный чугун для изготовления ответственных деталей, работающих в довольно сложных условиях при повышенном нагружении. Например, коленчатые и распределительные валы легковых автомобилей, прокатные валки, корпуса турбин, детали кузнечно-прессового оборудования и др.
Представляет интерес использование чугунов для деталей, работающих в специфических условиях (агрессивные среды, высокие температуры и др.). Для этого в чугуны вводят легирующие элементы, способствующие повышению необходимых свойств. Такие чугуны называют легированными или чугунами специального назначения. Они дешевле легированных сталей и вследствие лучших литейных свойств оказываются предпочтительнее для получения отливок.