ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Цельработы

Изучить микроструктуру различных видов чугунов: белого, серого, ковкого, высокопрочного.

Приборы, материалыиинструмент

Микроскоп МИМ-7; комплект микрошлифов чугунов.

Краткиетеоретическиесведения

Чугуны широко используются в машиностроении, что обусловлено экономической целесообразностью их применения и хорошими технологическими свойствами: они пригодны для отливки самых различных деталей, могут обрабатываться резанием, изменять свое строение и свойства в процессе термической обработки.

Взависимости от того, в каком состоянии находится углерод, в связанном или свободном, чугуны подразделяются на белые и серые. К последним относятся: серые, высокопрочные, ковкие. Белый чугун получил свое название по матово-белому цвету излома. Цвет объясняется присутствием зна-

чительного количества цементита Fе3С, который образуется при быстром охлаждении сплава (охлаждение в сырых земляных формах, металлических формах-кокилях).

Вбелом чугуне присутствует эвтектика – ледебурит, состоящая из перлита и цементита (рис. 7.1), по которой отличают белые чугуны от углеродистых сталей с помощью микроскопа. В белых чугунах практически весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита.

Рис. 7.1. Эвтектический белый чугун: а – фотография микроструктуры; б – схема зарисовки

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Краткие теоретические сведения

Эвтектике свойственна повышенная хрупкость, поэтому чугуны, в отличие от сталей, не подвергаются прокатке, ковке, штамповке.

Из-за сравнительно низкой температуры кристаллизации чугунов наблюдается малый пригар поверхности формы к отливке. Вследствие высокой жидкотекучести они хорошо заполняют формы.

Перечисленные свойства чугунов определяют использование их в качестве литейных сплавов.

В зависимости от содержания углерода различают три класса белых чугунов: доэвтектический, с содержанием углерода менее 4,3 %, эвтектический – с 4,3 %, заэвтектический – более 4,3 %.

Доэвтектический чугун включает три структурных составляющих: перлит, ледебурит (Л), вторичный цементит (рис. 7.2). Перлит наблюдается под микроскопом в виде темных зерен, а ледебурит – в виде отдельных участков, колоний. Каждый такой участок представляет собой смесь мелких округленных или вытянутых темных зерен перлита, равномерно расположенных в цементитной основе.

Рис. 7.2. Доэвтектический белый чугун: а – фотография микроструктуры;

б– схема зарисовки

Сувеличением концентрации углерода в доэвтектическом чугуне доля ледебурита в структуре увеличивается постепенно, за счет уменьшения участков, занимаемых перлитом и вторичным цементитом. Вторичный цементит наблюдается в виде светлых зерен.

Эвтектический чугун (рис. 7.1) представляет собой равномерную механическую смесь перлита с цементитом – ледебурит.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Краткие теоретические сведения

Рис. 7.3. Заэвтектический белый чугун: а – фотография микроструктуры; б – схема зарисовки

Заэвтектический чугун (рис. 7.3) характеризуется двумя структурными составляющими – первичным цементитом и ледебуритом. С увеличением содержания углерода количество первичного цементита в структуре возрастает.

Серые, высокопрочные, ковкие чугуны характеризуются тем, что весь углерод в них или часть его находится в свободном состоянии в виде графита, равномерно распределенного в металлической основе.

Формы выделения графита (Г) у них различные. По структуре металлической основы эти чугуны могут быть:

а) ферритными (из феррита и графита); б) феррито–перлитными (из феррита, перлита, графита); в) перлитными (из перлита, графита).

Таким образом, их структура представляет собой металлическую основу, похожую на доэвтектоидную и эвтектоидную сталь, пронизанную графитными включениями (рис. 7.4).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Краткие теоретические сведения

На графитизацию чугуна существенное влияние оказывает количество присутствующих в нем элементов, наличие центров кристаллизации графита и скорость охлаждения.

Все элементы, вводимые в чугун, делятся на графитообразующие (С, Si, Al, В, Br и др.) и карбидообразующие (Мn, Сr, V, W, Ti, Mo и др.).

Скорость охлаждения оказывает существенное влияние на графитизацию чугуна. Чем меньше скорость охлаждения, тем полнее протекают процессы графитизации.

В серых чугунах графит присутствует в форме пластинок (чешуек) (рис. 7.4).

Свойства серых чугунов при одинаковой металлической основе зависят от размеров, количества и распределения графитных включений. Их можно рассматривать как трещины, поры, внутренние разрезы, нарушающие целостность металлической основы.

Чем больше графита в чугуне, чем грубее его включения и чем меньше они изолированы друг от друга, тем ниже качество чугуна.

С увеличением количества перлита при одной и той же форме графитных включений механические свойства (прочность, твердость) чугуна повышаются.

Серые чугуны но ГОСТ 1412-85 маркируются буквами: С – серый и Ч – чугун, после буквы следуют цифры, указывающие величину сопротивления при растяжении – σв (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Свойства серых чугунов по ГОСТ 1412-85

Модифицированные чугуны получают введением в расплав специальных примесей – модификаторов, так как процесс графитизации (форма выделения графита) зависят от числа центров кристаллизации. Этими центрами могут быть мельчайшие нерастворенные частицы окислов.

Вводят в чугун модификаторы перед разливкой, обычно это: ферросилиций, алюминий, силико-кальций, магний и др.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Краткие теоретические сведения

Их назначение: получить мелкие, изолированные, равномерно распределенные включения графита, изменить форму графитных включений, получить перлитную металлическую основу.

Высокопрочный чугун получают из обычного серого перлитного чугуна двойным модифицированием: добавкой магния и ферросилиция (рис. 7.4). Под действием магния графит приобретает форму шаров (глобулей), кроме того, магний повышает прочность металлической основы.

По ГОСТ 7293–85 высокопрочные чугуны маркируются буквами ВЧ и цифрой – σв (табл. 7.2).

Таблица 7.2

Свойства высокопрочных чугунов по ГОСТ 7293-85

Ковкие чугуны получают отжигом отливок, изготовленных из белого чугуна. В процессе отжига цементит, входящий в структуру белого чугуна, распадается на железо, и графит, имеющий хлопьевидную форму (при затвердевании отливок – обычного серого чугуна – такую форму графит не принимает). Хлопьевидная форма графита улучшает пластические свойства чугуна: такой чугун не разрешается при ударах и изгибе.

В зависимости от строения металлической основы различают перлитный, феррито-перлитный и ферритный ковкие чугуны. Последний из них наиболее пластичен, твердость его минимальна. Маркируется ковкий чугун буквами: К – ковкий, Ч – чугун и цифрами. Первые две цифры – σв, вторые – относительное удлинение δ % (табл. 7.3).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Краткие теоретические сведения

Порядоквыполненияработы

1.Получить коллекцию микрошлифов различных чугунов в равновесном состоянии до и после травления 4 %-м раствором азотной кислоты в спирте.

2.Изучить и зарисовать микроструктуру всех микрошлифов.

3.По наличию и форме графитных включений определить вид чугуна.

4.Определить структуру металлической основы чугунов, подвергнутых травлению и указать на микрошлифе структурные составляющие.

Содержаниеотчета

Отчет по лабораторной должен включать:

1)зарисовки всех микрошлифов полученной коллекции (см. «Порядок выполнения работы»);

2)ответы на вопросы индивидуального задания.

Заданияклабораторнойработе

1.Сравнить структуру и свойства серых и ковких чугунов.

2.Вычертить диаграмму Fe–Fe3C, описать превращения при охлаждении и построить кривую охлаждения в интервале температур от 1 600 до 0 °С для сплава, содержащего 3,2 % С.

3.Как производится модифицирование серых чугунов? Какую структуру и свойства они имеют до и после модифицирования?

4.Вычертить диаграмму Fe–Fe3C, описать превращения при охлаждении и построить кривую охлаждения в интервале температур от 1 600 до 0 °С для сплава, содержащего 5,2 % С.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Задания к лабораторной работе

5.Как получают высокопрочные чугуны? Указать их структуру, свойства и маркировку.

6.Вычертить диаграмму Fe–Fe3C, описать превращения при охлаждении и построить кривую охлаждения в интервале температур от 1 600 до 0 °С для сплава эвтектического состава.

7.Как построена эвтектика и эвтектоид в сером и белом чугунах?

8.По диаграмме железо-углерод описать изменение микроструктуры доэвтектического чугуна при медленном и быстром охлаждении от 1 500 °С до комнатной температуры. Состав чугуна выберите сами.

9.Привести классификацию серых чугунов по их микроструктуре и дать характеристику их механических свойств.

10.Вычертить диаграмму Fe–Fe3C, описать превращения при охлаж-

дении и построить кривую охлаждения в интервале температур от 1 600 до 0 °С для сплава, содержащего 4,6 % С.

11.Указать структурные составляющие, получаемые в сплавах с содержанием углерода от 2,0 % до 6,67 % при комнатной температуре и дать характеристику их механических свойств.

12.Вычертить диаграмму Fe–Fe3C, описать превращения при охлаждении и построить кривую охлаждения в интервале температур от 1 300 до 0 °С для сплава, содержащего 4,3 % С.

13.Перечислить структурные составляющие, встречающиеся в белых чугунах и дать характеристику их механических свойств.

14.Вычертить диаграмму Fe–Fe3C, описать превращения при охлаждении и построить кривую охлаждения для сплава, содержащего 2,7 % С в интервале температур от 1 600 до 0 °С.

15.Как влияет структура серого чугуна на его свойства?

16.По диаграмме железо–углерод описать изменение микроструктуры заэвтектического чугуна при медленном и быстром охлаждении от 1 600 °С до комнатной температуры. Состав чугуна выберите сами.

17.Перечислите все формы, в которых может находиться углерод в сталях и чугунах. Пользуясь диаграммой железо–углерод, привести примеры соответствующих микроструктур.

18.Вычертить диаграмму Fe–Fe3C, описать превращение при охлаждении и построить кривую охлаждения в интервале температур от 1 600 до 0 °С для сплава, содержащего 3,8 % С.

19.Описать влияние размеров и формы графитных включений на свойства чугуна.

20.Вычертить диаграмму Fe–Fe3C, описать превращения при охлаждении и построить кривую охлаждения в интервале температур от 1 600 до 0 °С для сплава, содержащего 6 % С.

21.Как получают ковкий чугун? Указать его структуру, свойства и маркировку.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Задания к лабораторной работе

22.По диаграмме железо–углерод описать превращения, происходящие при медленном и быстром охлаждении в сплаве эвтектического состава

винтервале температур от 1 300 до 0 °С.

23.В чем различие между белыми и серыми чугунами (структура, механические свойства)?

24.Вычертить диаграмму Fe–Fe3C, описать превращения при охлаждении и построить кривую охлаждения для сплава, содержащего 3 % С в интервале температур от 1 600 до 0 °С.

25.Сравнить структуру и свойства серых и высокопрочных чугунов.

Контрольныевопросы

1.Чем отличается структура и свойства серых и ковких чугунов?

2.Как получают высокопрочные чугуны? Указать их структуру, свойства и маркировку.

3.Как построена эвтектика и эвтектоид в белом чугуне?

4.Как влияет структура серого чугуна на его свойства?

5.Как влияют размеры и форма графитных

включений на свойства чугунов?

6.В чем различие между белым и серым чугунами (структура, механические свойства)?

7.Чемотличаетсяструктураисвойствасерыхивысокопрочныхчугунов?