Изучение структуры чугунов

Цель работы: исследовать структуры белых, серых, ковких и высокопрочных чугунов, изучить особенности этих структур с помощью металлографического микроскопа.

План работы

Начертить диаграмму состояния системы железо—цементит, пунктиром нанести линии диаграммы системы железо - графит.

Выполнить микроструктурный анализ различных видов чугунов и сделать схематические зарисовки.

Изучить принцип маркировки чугунов по ГОСТам, их свойства и области применения.

Пояснения к работе

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода. В промышленных чугунах, кроме железа и углерода, содержатся кремний, марганец, сера и фосфор, причем в количествах, больших, чем в обычных сталях.

Чугун обладают лучшими по сравнению со сталью, свойствами (большей жидкотекучестью, меньшей усадкой), они дешевле стали, по уступают по прочности (особенно при растягивающих нагрузках) и пластическим свойствам (в обычных условиях не поддаются ковке).

Углерод в чугуне может быть в связанном состоянии — в виде карбидов и свободном — в виде графитовых включений различной формы (рис. 1). В зависимости от этого различают чугуны:

- белый, в нем весь углерод находится в связанном состоянии виде карбидов, излом чугуна имеет характерный блестящий, белый цвет;

- серый, большая часть углерода в нем находится в свободном состоянии о виде графита, имеющего пластинчатую фирму;

- ковкий, большая часть углерода в этом чугуне находится в свободном состоянии в виде графита, имеющего хлопьевидную форму (углерод отжига);

Высокоуглеродистые стали (0,6— 0,85%С) используют для изготовления деталей, от которых требуются в процессе эксплуатации прочность, износостой­кость, высокие упругие свойства.

Сталь инструментальная углеродистая (ГОСТ 1435-74). В зависимости от химического состава стали делятся на группы:

качественные У7, У8...У13;

высококачественные У7А, У8А...У13А;

стали с повышенной массовой долей марганца У8Г, У8ГА, Высококачественные стали более чистые по содержанию серы, фосфора, неметаллических включении, В обозначении марок стали буква «У» обозначает углеродистая, а цифра за ней—среднее содержание углерода в десятых долях про­цента.

Стали этой группы используются для изготовления зу­бил, кузнечных штампов, клейм (У7) матриц, пуансонов (У8), сверл, метчиков, разверток (У9, У10). мерительного ин­струмента (У12, У13). Область применения определяется следующими свойствами: стали У7, У7А имеют достаточную твердость при умеренной вязкости и могут использоваться для инструментов, подвергающихся ударам; с увеличением содержания углерода в сталях твердость и износостойкость возрастают, а вязкость снижается, поэтому изделия не дол ле­ны испытывать ударных нагрузок.

Задание2. Вычертить диаграмму Fe-Fe₃C и построить кривую охлаждения для сплава заданной концентрации

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22
С, %	0,1	0,5	0,8	1,0	1,1	1,2	1,5	1,8	2,2	2,6	2,9	3,2	3,8	4,2	4,5	4,8	5,1	5,4	5,8	6,1	6,3	6,5

В первом случае для нахождения состава фаз через точ­ку, характеризующую состояние системы, проводят горизон­тальную линию (каноду) до пересечения с линиями, огранивающими данную область диаграммы состояния. Проекции точек пересечения на ось концентрации показывают состав фаз.

Рис. 3. Определение состава и количественного соотношения фаз с помощью правила отрезков

В приведенном примере (рис. 3) для сплава в состоянии точки «с», проведя линию аb, получаем, что состав твердой фазы соответствует проекции точки b, состав жидкой фазы — проекции точки а.

Количественное соотношение фаз обратно пропорцио­нально отрезкам, прилегающим к точкам, определяющим со­став этих фаз. В данном примере отношение количества твердой фазы Q_тв к количеству жидкой фазы Q_ж обратно пропорционально отношению отрезков bc и ca: Q_тв/ Q_ж= ca/ bc.

Если требуется определить долю твердой (или жидкой) фазы во всем сплаве, то соотношение будет иметь следую­щий вид:

Q_тв/ Q_спл= ac/аb

Анализ диаграммы состояния системы свинец — сурьма

Сплав Рb — Sb относится к сплавам механическим сме­сям. Это сплавы, компоненты которых полностью раствори­мы в жидком состоянии и практически нерастворимы в твердом, т. е. рядом с зернами одного компонента находятся зерна другого.

Рис. 4. Диаграмма состояния системы свинец—сурьма

Линия СЕD — ликвидус, выше этой линии находит­ся область жидкого однофазного состояния. Линия FЕG – солидус, ниже которой сплав находится в твердом двухфазном состоянии—смесь кристаллов свинца и сурьмы.

При охлаждении сплавов различной концентрации по линии СЕ из жидкого расплава выделяются кристаллы свинца. По линии ЕD жидкого расплава выделяются кристаллы сурьмы.

На линии FЕG происходит образование эвтектики, т.е. из жидкой фазы состава точки Е(13%Sb) одновременно при постоянной температуре выделяются дис­персные кристаллы свинца и сурьмы, поэтому линия FЕG называется линией эвтектического превращения. На ней в равновесии находятся три фазы: жидкая, кристаллы свинца и сурьмы. Точка Е называется эвтектической, сплав состава точки Е—эвтектическим (Э). Сплавы с содержанием сурь­мы менее 13% называется доэвтектическими (Э+Pb), бо­лее 13% заэвектическими (Э+Pb).

С номерами 5 и 6—полуспокойной и спокойной. Полуспокойная сталь с номерами марок 1—5 производится с обычным и повышенным содержанием марганца. В обозначении марок стали с повышенным содержанием марганца ставят букву Г, например: Ст ЗГпс, ВСг ЗГпс.

Стали обыкновенного качества наиболее дешевые получили широкое применение. В процессе выплавки они по срав­нению с качественными сталями меньше очищаются от инородных примесей и содержат больше серы и фосфора. Из них изготовляют горячекатаный прокат: балки, прутки, шнеллеры, уголки, а также листы, трубы и поковки, работа­ющие при относительно невысоких напряжениях. Широко применяют также для строительных и других сварных, клепаных и болтовых конструкций.

Сталь углеродистая конструкционная качественная. (ГОСТ 1050-74). От сталей обыкновенного качества эти стали отличаются меньшим содержанием серы (<0,04%), фосфора(< 0,035—0,04%) и меньшим количеством неметаллических включений.

Качественные конструкционные стали маркируются двухзначными числами, которые показывают содержание углерода в стали в сотых долях процента. Например, сталь 05 - 0,05 %С, сталь 08 – 0,08%С, сталь 10 – 0,1%С, сталь 15 – 0,15%С и т. д. до сталь 85 – 0,85%С. Низкоуглеродистые ста­ли могут быть спокойными или кипящими. Кипящая сталь имеет в конце марки букву кп. Если в стали содержание марганца 0,7 4- 1 %, то в конце марки ставят букву Г, на­пример, сталь 15Г.

Сталь, изготовляется горячекатаной калиброванной, которая отличается пониженным содержанием вредных приме­сей (серы до 0,015%, фосфора до 0,025%). Стали марок 20-СШ, 25-СШ, 45-СШ выплавляются с обработкой синте­тическими шлаками в ковше. Из конструкционных низкоуглеродистых (до 0,3%) качественных сталей изготавливают кулачковые валики, оси, втулки, шестерни (штамповкой, сваркой, обработкой резанием); из среднеуглеродистых ста­лей (0,3—0,55%С) — валы, шатуны, шестерни, работающие при больших нагрузках.

Классификация, маркировка и применение углеродистых сталей

Сталь можно классифицировать:

по назначению

- на конструкционную, содержащую до 0,7% углерода,

- на инструментальную с содержанием углерода более 0,7%;

по качеству

- обыкновенного качества (ГОСТ 380-71);

- качественную (ГОСТ 1050-74);

- высококачественную (ТУ 14-1-196-73).

Качество	Конструкционная	Инструментальная
Обыкновенного качества	Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4 Ст 5, Ст 6, где 0,1,2…6 – номера марок	_______
Качественная	Сталь 20 – 0,2%С Сталь 40 – 0,4%С Сталь 65 – 0,65%С	У7 – 0,8%С У8 – 0,8%С У12 – 1,2 %С
Высокока- чественная	Сталь 45А – 0,45%С, буква А обозначает, что сталь высококачественная	У13А – 1,2 %С, буква А обозначает, что сталь высококачественная

Сталь обыкновенного качества делится на три группы:

группа А поставляется по механическим свойствам

Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4, вт 5, Ст 6;

группа Б — по химическому составу

БСтО, БСт 1, БСт 2, БСт ,4, БСг 4, БСт 5, ЬСт 6.

группа В — по механическим свойствам и химическому составу ВСт 1, ВСт 2, БСт 3, БСт 4, БСт 5.

Сталь всех групп с номерами марок 1, 2, 3 и 4 по степени раскисления изготовляют:

- кипящей (КП), раскисленной Mn;

-полуспокойной (ПС), раскисленной Mn и Аl;

- спокойной (СП), раскисленной Mn, Аl и Si

Для выявления закономерности образования структуры рассмотрим процесс кристаллизации заэвтектического сплава 1 (рис. 4). При охлаждении его до температуры точки 1 сплав находится в жидком состоянии. При температуре t₁ начинается кристаллизация сурьмы, этот процесс продолжается до температуры t₂, соответствующей линии эвтектического превращения. При охлаждении сплава в интервале t₁-t₂ происходит его качественное изменение: в результате выпадения кристаллов сурьмы жидкая фаза обедняется сурьмой (до 13%) и обогащается свинцом. Согласно правилу состав жидкой фазы меняется в соответствии с линией ликвидус от точки 1 при температуре t₁ до точки Е при температуре t₂. .На линии FЕG кристаллизация сурьмы заканчивается, и затем из оставшейся жидкости состава точки Е происходит образование эвтектики Э.

Описанный процесс кристаллизации можно записать в следующем виде:

;

После кристаллизации сплав I будет состоять из двух структурных составляющих: крупных кристаллов сурьмы и эвтектики, представляющей мелкозернистую смесь кристал­лов сурьмы и свинца. Структурной составляющей называют обособленную часть структуры, имеющую при данном уве­личении микроскопа однообразное строение.

В доэвтектических сплавах в интервале температур от линии: ликвидус до линии солидус из жидкой фазы выпада­ют кристаллы свинца и жидкость, обогащается сурьмой (до 13%) и обедняется свинцом. Доэвтектические сплавы после затвердевания состоят также из двух структурных составля­ющих: крупных кристаллов свинца и эвтектики.

Сплав эвтектического состава кристаллизуется при пос­тоянной температуре, без предварительного образования кристаллов сурьмы и свинца. После затвердевания он состо­ит из одной структурной составляющей—эвтектики.

Имея диаграмму состояния системы, можно, пользуясь правилом фаз, построить кривую охлаждения сплава любой заданной концентрации. На рис. 4 дан пример построении кривой охлаждения для сплава I.

Анализ диаграммы состояния системы медь—никель

Сплав Сu —Ni относится к сплавам — твердым раство­рам. Компоненты такого сплава имеют неограниченную растворимость как в жидком, так и твердом состояниях, т. е., смешиваясь между собой, образуют один тип кристалличе­ской решетки. Общий вид диаграммы приведен на рис. 5. Линия асв на диаграмме состояния Сu – Ni называется ликвидус. Выше этой линии все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии. Линия адв называется солидус ﴿. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Между ликвидусом и солидусом одновременно находятся две фазы: жидкий и твердый растворы. Чтобы охарактеризовать фазовое состояние конкретного сплава при заданной температуре, необходимо определить природу фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, их химический состав и относительное количество. Для примера рассмотрим изменение фазового состояния, происходящее при снижении температуры в сплаве, содержащем 30 % Ni и 70 % Сu.

Рис. 5. Диаграмма состояния системы «медь – никель»

следовательно, твердость углеродистой стали будет изменяться по закону прямой линии в зависи­мости от содержания углерода. Чем больше углерода в стали, тем выше ее твердость.

Структура углеродистых сталей в равновесном состоя­нии (медленно охлажденных) зависит от их состава (содер­жания углерода), а свойства сталей—от их структуры. По­лучается цепь причинно-следственной связи «состав—струк­тура—свойства». В эту цепь входит еще одно звено—техно­логический процесс, с помощью которого при одинаковом составе сплава можно получать различные структуры, так что полная цепь исследуемых в металловедении зависимостей описывается схемой: состав—технологический процессе— структура—свойства.

При изменении твердости доэвтектоидных сталей наблю­дается прямолинейное изменение ее от твердости, феррита к твердости перлита пропорционально их соотноше­нию к структуре. Для эвтектоидных сталей по величине твер­дости можно определить примерно прочность сталей: σ_в= 0,35 НВ. Для заэвтектоидных сталей эта зависимость несправедлива: твердость сталей повышается, а предел прочности падает из-за охрупчивания ее сеткой цемен­тита вторичного по границам перлитных зерен.

Задание 1 Необходимо замерить твердость сталей с различным содержанием углерода и результаты замеров занести в таблицу 1.

Номер образца	Марка стали	Содержание углерода, %	Твердость		σв, МПа
			HRB	HB
1	Сталь05	0,05
2	Сталь 20	0,2
3	Сталь 40	0,4
4	Сталь80	0,8
5	У12	1,2

т. 4 три фазы, число степеней свободы С=0.

Кристаллизация перлита происходит при постоянной температуре, это эвтектоидное превращение.

Структура сплава при температурах ниже точки 4 будет состоять из цементита вторичного и перлита.

Структура и классификация углеродистых сталей

Стали по структуре делят на:

- доэвтектоидные (до 0,8%С) - Ф+П;

- эвтектоидные (0,8 %С) - П;

- заэвтектондные (0,8-2,14%С) – П+Ц_II.

 135  135  135

Сталь 05 Сталь 20 Сталь 40

(0,05%С) (0,2%С) (0,4%С)

 135  135

Сталь У8 Сталь У12

(0,8%С) (1,2%С)

Рис. 3 Микроструктуры сталей

Зависимость твердости углеродистых сталей от их структуры в равновесном состоянии

Структура углеродистой стали состоит из феррита и цементита. Согласно закону Курнакова, изменение свойств-сплавов смесей, в зависимости от их состава имеет прямолинейный характер,

Для определения фазового состояния сплава в интервале кристаллизации применяют правило отрезков. Например, при произвольно выбранной температуре t₁ через точку, лежащую на ординате сплава, проводят горизонтальную линию - изотерму - до пересечения с ближайшими линиями диаграммы.

Точки пересечения укажут, какие фазы находятся в равновесии у данного сплава при t₁ : m – соответствует жидкому раствору, n – твердому раствору α. По проекциям точек пересечения на ось концентрации определяют химические составы равновесных фаз: в жидкой фазе содержится оm' % Ni (остальное – Сu); в α-фазе - оn' % Ni (остальное – Сu).

Количественное соотношение равновесных фаз определяют по отрезкам: количество жидкой фазы пропорционально кn, а α-фазы -mk . Линию mn называют конодой.

При охлаждении сплава из жидкого состояния ниже точки 1, лежащей на линии ликвидус, начинается кристаллизация. При переходе через точку 2 на линии солидус кристаллизация заканчивается. В процессе кристаллизации концентрация компонентов в жидком растворе изменяется согласно ликвидусу от точки 1 до точки 2', а в растворе α – согласно солидусу от точки 1' до точки 2.

После окончания кристаллизации структура сплава состоит из зерен твердого раствора α, имеющих одинаковый состав. Поскольку сплав был выбран произвольно, то рассуждения о формировании его структуры применимы к любому сплаву этой системы, кроме чистых Cu и Ni.

Применение сплавов

Сплавы – смеси применяются в качестве:

1. Литейных, т.к. они обладают хорошей жидкотекучестью, из-за наличия в их составе эвтектики.

2. Припоев для пайки.

3. Тепловых предохранителей, т.к. сплавы при любой концентрации имеют одинаковую температуру начала плавления, что обеспечивает точность срабатывания предохранителей при повышении температуры в помещении до заданных значений.

4. Типографских шрифтов (доэвтектический сплав Pb-Sb)

5. Подшипников скольжения (баббиты), состоящие из мягкой основы – эвтектики и твердых включений, мягкая основа обеспечивает хорошую прирабатываемость подшипника к валу, а твердые включения—высокую износостойкость.

Сплавы – твердые растворы применяются в качестве:

1. Коррозионностойких (нержавеющих), что обеспечива­ется их однофазной структурой;

2. Электросопротивлений, реостатной проволоки (Сu - Ni, Ni - Мn), нагревательных элементов электроприборов (Ni - Сr, Fе-Сr). Высокое электросопротивление имеет место из-за наличии в кристаллической решетке металла—растворителя чужеродных атомов растворенного металла.

Микроструктуры сплавов:

Pb – Sb

х135 х135 х135

доэвтектический (Pb+Э) эвтектический (Э) эвтектический (Pb+Э)

Сu – Ni

х135 х135

литой деформированный и отожженный

Задание. Построить кривую охлаждения для сплава Pb – Sb заданной концентрации

Вари- ант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22
Sb, %	1,5	5	9	12	15	18	19	25	29	36	42	59	65	69	73	82	86	92	95	2,5	10	100

Рис.2 Построение схематической кривой охлаждения

по диаграмме состояния

Правильность построения кривой охлаждения проверяется определением вариантности по правилу фаз. Для рассмотренного выше заэвтектоидного сплава превращения, происходящие при охлаждении, можно записать так:

с понижением температуры до т. 1—охлаждение жидкой фазы

тт. 1—2 , две фазы, число степеней свободы С= 1, идет процесс кристаллизации с понижением температуры;

тт. 2 — 3 фазовых превращений нет, идет охлаждение аустенита, фаза одна, число степеней свободы С= 2;

тт. 3 — 4 две фазы, число степеней свободы С= 1;

В местах пересечения с лилиями диаграммы отмечаем критические точки 1, 2, 3, 4 (рис. 2) и проектируем па ось температур координатной системы «температура—время». При построении схематической кривой следует руководствоваться соображением, что при наличии в системе процес­сов, сопровождающихся выделением тепла, температура по­нижается медленнее при одновариантном равновесии или будет температурная остановка при безвариантном состоя­нии. Температура понижается быстрее, если в системе не происходит процесс с выделением тепла.

В нашем примере (рис. 2) охлаждение жидкого сплава происходит быстро, в процессе кристаллизации будет за­медление охлаждения, т. к. тепло кристаллизации в течение длительного времени частично компенсирует теплоотдачу в окружающую среду. После окончания кристаллизации ско­рость охлаждения увеличивается, температура снова будет понижаться быстро. При выделении вторичной фазы из твер­дого раствора охлаждение замедляется, но не так сильно, как при кристаллизации из жидкого сплава. При эвтектиче­ском, эвтектоидном и перитектическом превращениях в двухкомпонентной системе должны быть температурные остановки.

Углы наклона отдельных участков в кривой охлаждения должны быть в следующей зависимости:

φ_ж→m< φ_m→m< φ_m

где φ_ж→m — угол наклона участка кривой охлаждения, соответствующего одновариантному равновесию между твердой и жидкой фазами; φ_m→m — угол наклона участка, соответствующего одновариантному равновесию между двумя твердыми фазами (скрытая теплота кристаллизации меньше, чем в предыдущем случае) ; φ_m — угол наклона участка, соответствующего двухвариантному равновесию жидкой фазы (происходит только остывание сплава без кристаллизации со скоростью, большей, чем б первых случаях) »_т — угол наклона участка, соответствующего двухвариантному равновесию твердой фазы (остывание твердой фазы проте­кает интенсивнее, чем жидкий, т. е. теплоемкость первой меньше теплоемкости второй).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4