Материаловедение. Технология конструкционных материалов (стр. 4 )

Изменить структуру металлической основы и механические свойства чугунов можно путем их термической обработки.

Статическая прочность чугунов при растяжении в 4 раза ниже, чем при сжатии. Поэтому работоспособность чугуна в реальных условиях экс­плуатации лимитируется долей растягивающих напряжений, а в их марках указывается предел прочности (временное сопротивление) при статичес­ком растяжении. Например, СЧ15, ВЧ60, КЧ37–12: σв = 15; 60 и 37 кгс/мм2 или 150, 600 и 370 МПа соответственно. Второе число в марках КЧ – относительное удлинение (σв = 5–12 %). БЧ конструкторской маркировки не имеют.

Наличие в структуре чугунов графита приводит к их разупрочнению и охрупчиванию по сравнению со сталями, но с другой стороны придает им такие полезные свойства, как хорошая обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные свойства, устойчивость к вибрационным наг­рузкам, нечувствительность к дефектам поверхности. Эти преимущества в совокупности с высокими литейными свойствами и низкой стоимостью обеспечивают широкое использование чугунов в качестве литейных конст­рукционных материалов.

Порядок выполнения работы

Для выполнения работы необходимы: металлографический микроскоп, набор микрошлифов образцов чугунов разных типов и пресс Бринелля. Следует:

1)  просмотреть под микроскопом все шлифы набора, схематически зарисовать микроструктуры и стрелками указать на каждой зарисовке структурные составляющие;

2) по процентному содержанию перлита в микроструктуре металли­ческой основы (% П) подсчитать количество связанного углерода (С, %) в СЧ, ВЧ и КЧ по формуле: С = 0,8 – (% П)/100, %;

3) измерить твердость по Бринеллю СЧ, ВЧ и КЧ и сравнить ее с твердостью, рассчитанной по эмпирической формуле:

НВ = 1500 + 10 – (ХП) (МПа);

4) ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

Изучить строение серого чугуна. Изучить строение ковкого чугуна. В чем отличие ковкого чугуна от белого? Охарактеризовать методы получения белого, серого и ковкого чугунов. Составить отчёт по работе.

Лабораторная работа № 3

Тема: «Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом»

Цель работы: изучить метастабильную диаграмму состояния железо – углерод.

Краткие сведения из теории

Железо – переходный металл серого цвета, находится в VIII группе периодической системы, атомный номер – 26, атомная масса – 55,85, атомный радиус – 0,127 нм. Температура плавления – 1539 °С. Имеет две полиморфные модификации: Feα (Feδ ) – решетка ОЦК. Полиморфные превращения проходят при температурах:

911 º С – Feα ↔ Fe γ,

1392 º С – Fe γ ↔ Feδ.

При температуре 768 ºС достигается точка Кюри (магнитное превращение) – переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное. Это превращение не связано с изменением типа кристаллической решетки и имеет электронную природу. Чистое железо – (99,9917 % Fe) имеет твердость 490 МПа, плотность 7,874 г/м3, оно пластично (δ 40–45 %). Техническое железо содержит 99,9 % Fe.

Углерод – неметаллический элемент, 2 период, IV группа периодической системы, атомный номер – 6, атомная масса – 12, плотность – 2,5 г/см3, атомный радиус – 0,077 нм, температура плавления – 3500 °С. Обладает полиморфизмом, в обычных условиях может существовать в виде графита и алмаза. Графит является устойчивой аллотропической формой в обычных условиях. Углерод в виде графита имеет слоистую кристаллическую решетку. Между атомами углерода каждого слоя действуют ковалентные связи, т. к. межатомные расстояния очень малы. Слои находятся на больших расстояниях друг от друга.

Углерод, взаимодействуя с железом, образует следующие фазы системы:

1.  Углерод – неограниченно растворим в жидком железе, образует жидкую фазу – неограниченный жидкий раствор с Fe.

2.  Цементит – Fe3С, образуется при содержании углерода 6,67 %, имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов (рис. 4). Имеет очень высокую твердость и хрупкость. Условная температура плавления – 1500 °С. Цементит может диссоциировать на железо и графит: Fe3С →3 Fe + С.

Рис. 4. Кристаллическая решетка цементита

3.  Феррит – (α), твердый раствор внедрения углерода в железо. Максимальная растворимость – 0,02 % при 727 °С, минимальная – 0,006 % при Тº ком. Низкотемпературный феррит – (α), высокотемпературный – (δ). Имеет ОЦК решетку, мягок, пластичен.

4.  Аустенит – (γ), твердый раствор вне­дрения углерода в железо γ. Максимальная растворимость – 2,14 % при 1147 °С, минимальная – 0,8 % при 727 °С. Имеет решетку ГЦК (рис. 5). Аустенит немагничен, пластичен.

Рис. 5. Кристаллическая решетка аустенита

Диаграмма состояния железо – углерод, приведенная на рис. 6, может характеризовать как метастабильное равновесие системы (Fe – Fe3C), так и стабильное (Fe – графит).

Характеристика отдельных точек и линий на диаграмме Fe – Fe3C: ЕCF – линия эвтектического превращения – 1147 °С: Lс → γ с + 3 Fe3С,

Рис. 6. Метастабильная диаграмма состояния железо – цементит Диаграмм

Lс – ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита;

с – эвтектическая точка 4,3 % С.

PSK – линия эвтектоидного превращения – 727 °С:

γ s → αр + Fe3С,

γ s – перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита; S – эвтектоидная точка 0,8 % C.

Температуры, соответствующие определенным линиям диаграммы состояния Fe– Fe3C, называют критическими точками. Эти точки имеют международное обозначение от начальных букв французских слов arret (остановка, площадка), r – refroidissement (охлаждение), с – chauffage (нагрев) – Аr (при охлаждении), Ас (при нагреве).

Критические точки сплавов железо – углерод соответствуют линиям диаграммы Fe – Fe3C:

А1 (Аr1, Ас1) – линия PSK(727 °С) – перлитное превращение;

А2 (Аr2, Ас2) – линия МО (728 °С) – магнитное превращение, точка Кюри;

А3 (Аr3, Ас3) – линия GS, полиморфное превращение;

А4 (Аr4, Ас4) – линия NH, полиморфное превращение.

С увеличением содержания углерода в сплавах железо – углерод температура критической точки А3 снижается, а А4 повышается. Значение точек А1 и А2 не меняется.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы подразделяются на три группы: тех­ническое железо, стали и чугуны.

Техническое железо: ≤ 0,02 % углерода, структура феррит или феррит и Fe3CIII (третичный цементит).

Стали – сплавы с содержанием углерода от 0,02 до 2,14 %. Структура сталей формируется с прохождением эвтектоидного превращения:

γ s → αр + Fe3С (перлит).

По содержанию углерода стали подразделяются на:

1)  доэвтектоидные 0,02–0,8 % С; структура феррит + перлит;

2)  эвтектоидные 0,8 % С; структура перлит;

3)  заэвтектоидные 0,8–2,14 % С; структура перлит + цементит вторичный (Fe3CII).

С увеличением углерода в сталях количество феррита уменьшается, а количество перлита увеличивается, что приводит к повышению твердости, прочности и снижению пластичности стали.

Белые чугуны – сплавы с содержанием углерода больше 2,14 % С. Формирование структуры происходит при эвтектическом и эвтектоидном превращении с образованием структурных составляющих ледебурита и перлита. По содержанию углерода белые чугуны подразделяются на (рис. 7):

1)  доэвтектические 2,14–4,3 % С; структура перлит + ледебурит;

2)  эвтектические 4,3 % С; структура 100 % ледебурита;

3)  заэвтектические 4,3–6,67 % С; структура ледебурит + цементит первичный (Fe3CI).

Рис. 7. Микроструктура сплавов системы Fe – Fe – Fe3C

Ледебурит и цементит – хрупкие структурные составляющие, определяющие хрупкость белых чугунов. Чугуны обладают хорошими литейными свойствами, имеют меньшую усадку, что объясняется присутствием легкоплавкой эвтектики – ледебурита.

Цементит вторичный Fe3CII и цементит третичный Fe3CIII выделяются за счет уменьшения растворимости углерода в аустените и феррите при охлаждении.

Фазовый состав всех сплавов при температурах ниже 727 °С одинаков у всех сталей и чугунов – α и Fe3С; с увеличением количества углерода α фазы становится меньше, а количество цементита возрастает.

Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим, кроме углерода, ряд постоянных и технологических примесей, влияющих на ее свойства.

Влияние углерода: с увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, что приводит к возрастанию твердости, прочности, но потере пластичности. Твердые и хрупкие частицы цементита повышают сопротивление движению дислокаций, т. е. повышают сопротивление пластическому деформированию. Увеличение количества углерода повышает порог хладноломкости, снижает теплопроводность, растут электрическое сопротивление и коэрцитивная сила.

Влияние примесей: примеси попадают в сталь при выплавке при раскислении или из шихты.

Постоянные примеси:

1.  Mn до 0,8 %, Si до 0,3 % – полезные примеси, попадают в сталь при раскислении. Они растворяются в феррите, упрочняя его, однако Si снижает пластичность и способность стали к вытяжке. Марганец резко уменьшает красноломкость стали, вызванную влиянием серы.

2.  S ≤ 0,04 %, Р ≥ 0,03 % – вредные примеси, попадают в сталь из шихты. Сера является причиной красноломкости – межзернового разрушения при горячей пластической деформации, включения серы (сульфиды) снижают вязкость и пластичность, а также σ1. Фосфор вызывает хладноломкость, т. к. повышает температурный порог хладноломкости и образует сегрегации по границам зерна.