2.Определение содержания углерода в отожженных сталях
с помощью металломикроскопа.
Содержание углерода с помощью микроструктурного анализа можно определить только в отожженных доэвтектоидных сталях. В заэвтектоидных сталях нет значительного изменения в содержании углерода. Поэтому довольно трудно установить изменение микроструктуры, например, сталей марок У10 и У13.
В углеродистой доэвтектоидной стали можно считать, что весь углерод находится в перлите. В чистом перлите содержится 0,8%С. В доэвтектоидной стали на перлит приходится только часть сплава, а содержание углерода в весовых процентах пропорционально площади шлифа, занимаемой перлитом. Эта пропорция вытекает из примерного равновесия удельных весов феррита и перлита. В противном случае по микроструктуре можно было бы судить только об объемных отношениях.
Глядя в микроскоп (или на микрофотографию), определяют примерно (на глаз) площадь, занимаемую перлитом FП в %.
Составляют пропорцию 100%П - 0,8%С
FП - x%С.
Такой метод может показаться грубым. В действительности он дает хорошие результаты. Если абсолютная ошибка в оценке площади, занимаемой перлитом, составит 10%, то абсолютная ошибка в определении содержания углерода составляет 0,08%.
3.Белые чугуны.
Чугуны по микроструктуре подразделяются на белые, серые, ковкие и высокопрочные.
Микроструктурный анализ белых чугунов проводят, используя диаграмму состояния железо-углерод с системой сплошных линий, относящихся к метастабильному равновесию фаз с присутствием цемента.
Белые чугуны подразделяются на доэвтектические с содержанием углерода от 2,14% до 4,3%, эвтектический чугун (4,3%С) и заэвтектические чугуны, содержащие от 4,3% до 6,67%С.
Все белые чугуны в результате кристаллизации эвтектического расплава (4,3%С) при некотором переохлаждении ниже 1147 0С имеют структуру, представляющую собой смесь аустенита с цементом, называемой ледебуритом.
Кристаллизация доэвтектических чугунов начинается с выделения из жидкой фазы кристаллов аустенита, заканчивается кристаллизация образованием эвтектики - ледебурита. При охлаждении чугуна с 1147 до 727 0С состав аустенита изменяется по линии ЕS, что обусловлено выделением вторичного цементита. При небольшом переохлаждении ниже температуры 727 0С аустенит состава точки S распадается на эвтектоидную феррито-цементитную смесь, называемую перлитом.
Вторичный цементит, выделяющийся по границам зерен аустенита, сливается с цементитом ледебурита.
Таким образом, доэвтектические белые чугуны имеют структуру перлит+цементит (вторичный)+ ледебурит (перлит+цементит).
Эвтектоидный белый чугун, содержащий 4,3%С при комнатной температуре имеет структуру ледебурита, составляющими которого являются перлит и цементит.
Заэвтектоидный белый чугун при комнатной температуре имеет структуру первичный цементит+ледебурит.
4. Серые, ковкие и высокопрочные чугуны.
Микроструктурный анализ чугунов проводят, используя диаграмму состояния железо-углерод с системой пунктирных линий, характеризующих стабильное равновесие фаз с участием графита.
Для образования графита из жидкой фазы или аустенита необходимо сильное развитие диффузионных процессов: диффузия атомов железа от растущего кристалла графита и приток атомов углерода из жидкости или аустенита к растущему кристаллу графита. Поэтому в чистых железо-углеродистых сплавах при очень медленном охлаждении выделение графита наблюдается редко.
Но реальные сплавы имеют в жидком состоянии загрязнения, в том числе и мельчайшие частицы графита, которые являются дополнительными центрами кристаллизации. Поэтому при кристаллизации возможно непосредственное образование графита, чему содействует медленное охлаждение отливок.
Чугуны, используемые в качестве конструкционных материалов (серые, ковкие и высокопрочные), имеют более сложную структуру, чем стали. Это металлическая основа (которая может быть ферритной, феррито-перлитной и перлитной) и включения графита.
В состав чугуна входят углерод, кремний, марганец, фосфор, сера (в больших количествах, чем в стали). Углерод и кремний способствуют графитизации, марганец затрудняет графитизацию и способствует отбеливанию чугуна, такое же действие оказывает и сера. Влияние фосфора на графитизацию незначительное.
Графитовые включения в первом приближении можно рассматривать как пустоты соответствующей формы в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении возникает концентрация напряжений, значения которых тем больше, чем белее острую форму имеет дефект. Поэтому в наибольшей мере разупрочняет металл графитовые включения пластинчатой формы. Шаровидная форма графитовых включений создает меньшие напряжения. Хлопьевидная форма графита более предпочтительная для механических свойств чугуна по сравнению с пластинчатой.
В зависимости от формы графитовых включений в структуре чугуны делят на серые, высокопрочные и ковкие. Серые, ковкие и высокопрочные чугуны по структуре металлической основы, которая зависит от количества связанного в цементите (Fe3C) углерода Ccв, подразделяются на ферритные (Ccв=0), феррито-перлитные (Ccв<0,8%), перлитные (Ccв>0,8%)
На рис. 2 приведены схемы микроструктур серых, ковких и высокопрочных чугунов с различной структурой металлической основы.
Несмотря на то, что графит разупрочняет чугун, наличие графитовых включений в отливках имеет свои положительные стороны:
1) графит улучшает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой;
2) наличие графита в структуре чугуна улучшает антифрикционные свойства его по сравнению со сталью;
3) благодаря включениям графита чугун хорошо гасит вибрации, наибольшей демпфирующей способностью обладает серый чугун;
Рис. 2. Схемы микроструктур серых, ковких, высокопрочных чугунов.
4) детали, изготовленные из чугуна нечувствительны к внешним концентраторам напряжений (отверстия, выточки, канавки);
5) чугун дешевле стали;
6) производство изделий из чугуна, полученных литьем дешевле стальных, полученных обработкой резанием или штамповкой и обработкой резанием.