Изучение зависимости между структурой и свойствами чугунов

1
Московский государственный технический
университет им.Н. Э.Баумана
Калужский филиал
Е.В.Акулиничев
Изучение зависимости между структурой и
свойствами чугунов
Методическое указание к лабораторным работам по курсу
«Материаловедение»
Под редакцией проф. Лебедева В.В.
Калуга 2001 г.
2
Аннотация
В методических указаниях рассмотрены закономерности формирования структуры чугунов, способы
получения различной формы графитовых включений, влияние формы графита и структуры металлической
основы на основные механические, технологические и эксплуатационные свойства чугунов различных
классов.
Даны рекомендации по оформлению отчёта по лабораторной работе.
3
Задание и порядок выполнения работы.
1.Изучить структуру белых чугунов в соответствии с диаграммой
Fe-Fe3C.
2.Рассмотреть под микроскопом и зарисовать структуру доэвтектического белого чугуна, обозначив на рисунке структурные составляющие. Отметить особенности структуры и свойств, а также область применения белых
чугунов.
3.Рассмотреть под микроскопом и зарисовать структуру серых чугунов
с различной основой, высокопрочного и ковкого чугунов. Обозначить на
рисунке структурные составляющие, а под рисунками указать класс чугуна,
его марку, форму графитных включений, отметив, как её можно получить.
4. Записать в виде таблицы для изученных марок чугунов их механические свойства и примерное назначение (см.табл.).
5. Проанализировать данные таблицы и описать, как влияет на механические свойства и почему:
а) форма графита;
б) структура металлической основы.
Необходимые материалы и приборы.
1.Коллекция микрошлифов: белый чутун (доэвтектический или заэвтектический), серые
чугуны - ферритный - марки СЧ 15, феррито - перлитный - марки СЧ 20, перлитный марки СЧ 30, высокопрочный - марки ВЧ 40 - 12, ковкий - марки КЧ 45-7.
2. Металлографический микроскоп.
3. Плакаты.
Структура и свойства чугунов
Железо-углеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % С относятся к
чугунам.
Свойства чугунов определяются их структурой, которая зависит не
только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий охлаждения отливки и режима термической обработки. В зависимости от того, в каком состоянии и в какой форме присутствует углерод в сплаве, различают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугуны.
Белые чугуны
Белыми называют чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита, который придает излому светлый
блеск. Диаграмма состояния Fe-Fe3C отражает фазовые превращения, происходящие в белых чугунах при нагреве и охлаждении.
Белый чугун в зависимости от содержания углерода разделяют на доэвтектический (от 2,14 до 4,3 %С), эвтектический (4,3 %С) и заэвтектичкский
(от 4,3 до 6,67 %С).
Кристаллизация белых доэвтектических чугунов начинается с выделе-
4
ния из жидкого раствора кристаллов аустенита, заэвтектических - с выделения первичного цементита. При температуре 1147 °С (линия ECF) белые чугуны претерпевают эвтектическое превращение. Оно заключается в образовании из жидкого раствора, содержащего 4,3% С эвтектической смеси, состоящей из кристаллов аустенита и кристаллов цементита. Смесь называется
ледебуритом.
При дальнейшем понижении температуры доэвтектического чугуна, как
показывает линия ES, уменьшается растворимость углерода в аустените, в
результате из него выделяется цементит, как и в заэвтектоидных сталях. При
температуре 727 ° С аустенит претерпевает эвтектоидное превращение, т.е.
распадается с образованием эвтектоидной смеси - перлита.
Аустенит, входящий в ледебурит, также превращается в перлит. Поэтому ледебурит при температурах ниже 727 ° С представляет собой смесь
перлита и цементита.
Таким образом, структура белого доэвтектичкского чугуна при комнатной температуре состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита
(рис. 1). Ледебурит представляет светлые цементитные поля с тёмными перлитными участками (точками). Перлит образует тёмные зёрна, вторичный
цементит частично виден в виде светлых выделений по границам перлитных
зёрен, а частично сливается с цементитом ледебурита. Эвтектический белый
чугун имеет в своей структуре один ледебурит.
Структура белого заэвтектического чугуна состоит из ледебурита и
крупных продолговатых кристаллов первичного цементита, выделившихся
из жидкого раствора (рис.2).
Из-за присутствия в белых чугунах большого количества цементита
они очень тверды и хрупки и для изготовления деталей машин не используются. Белый заэвтектическии чугун идёт в переплавку, а доэвтектическии переделывается специальной термической обработкой на ковкий.
Находит применение отбелённый чугун - это серый чугун с тонким
слоем белого чугуна на поверхности. Такой чугун обладает высокой поверхностной твёрдостью и износостойкостью и используется для изготовления
трущихся деталей - прокатные валки, колёса, лемехи плутов, шары мельниц.
Серые чугуны
Серыми называются чугуны, в которых весь углерод или большая его
часть присутствует в свободном состоянии, в виде графита пластинчатой формы. Он придает излому серый цвет. На процесс графитизации, т.е.
выделение графита при кристаллизации чугуна, влияют два фактора:
1. Очень малая скорость охлаждения;
2. Содержание некоторых элементов, например, кремния.
Влияние скорости охлаждения, а также содержания углерода и кремния на степень графитизации чутунов иллюстрируется структурными диаграммами (рис.3).
Рис.1. Микроструктура белого доэвтектического белого
5
Степень графитизации влияет на структуру металлической основы серого чугуна. В зависимости от количества связанного углерода различают чугуны с ферритной, феррито-перлитной и перлитной основой.
Следовательно, серыи чугун может иметь структуру:
1. Феррит + пластинчатый графит, углерода в связанном состоянии
нет, он весь выделился в виде графита (рис, 4а).
2. Феррит + перлит + пластинчатый графит - структура основы
аналогична структуре доэвтектоидной стали; в таком чугуне количество связанного углерода < 0,8 % (рис.4б).
3. Перлит + графит пластинчатый, структура основы аналогична
структуре эвтектоидной стали, количество связанного углерода 0,8 % (рис.4в).
Таким образом, серые чугуны состоят из металлической основы и
включений графита, вкрапленных в эту основу.
Свойства чугуна зависят от строения металлической основы и от размеров, количества, формы и характера распределения графита. Графит играет
роль надрезов, ослабляя металлическую основу. Поэтому, чем меньше графитных включений, чем они мельче и чем более изолированы друг от друга,
тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической основе. И,
наоборот, чугун с большим количеством прямолинейных крупных графитных
выделений имеет низкие механические свойства - предел прочности и особенно пластичность. Относительное удлинение при растяжении серого чугуна,
независимо от свойств металлической основы, практически равно нулю. При
одинаковом характере графитных включений твёрдость и прочность чугуна
повышаются с увеличением в его основе количества перлита.
В серых чугунах встречается также структурная составляющая - фосфидная эвтектика (рис. 5) - смесь (Fe3P + феррит), наличие её обусловлено
присутствием в чугуне фосфора, чаще всего около 0,2 %.
Имея невысокую температуру плавления (около 950° С), фосфидная эвтектика улучшает жидкотекучесть чугуна; будучи твёрдой составляющей, она
повышает твёрдость и износостойкость чугуна, и в тоже время ухудшает обрабатываемость резанием.
Серый чугун является одним из важнейших литейных машиностроительных материалов. Марки, свойства и назначения серых чугунов приведены
в таблице 1.
6
МАРКИ, МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА (ТОСТ 1412 - 85) И
НАЗНАЧЕНИЕ СЕРЫХ ЧУГУНОВ.
Таблица 1.
Марка
с„, МПа НВ
не менее
СЧ10
98
Назначение
Слабо и средненагруженные отливки:
корпуса редукторов, подшипников,
СЧ15
147
163-229
насосов, крышки, блоки цилиндров, ступицы, суппорты, тормозные барабаны и
СЧ20
196
170-241
Отливки работающие при высоких стадр.
тических нагрузках и в условиях износа:
маховики, втулки, гильзы и поршни циСЧ25
245
180-250
линдров, станины станков, корпуса гидронасосов и др.
СЧЗО
294
181-255
Особо ответственные отливки, работающие на износ и при высоких статичеСЧ35
343
197-269
ских и динамических нагрузках: поршни, тормозные барабаны, гидроцилинПримечание: Серые чугуны маркируются
дры, поршневые
буквамикольца
С - серый,
и др.Ч-чугун, число
2
указывает предел прочности при растяжении (ов, кгс/мм ).
143-229
7
Рис.2. Микроструктура белого заэвтектического чугуна (ледебурит, первичный цементит),
х100.
Рис.3. Структурные диаграммы чугунов:1- белый чугун, П - половинчатый чугун, Ш,
а -серый чугун с перлитной основой, 111,6 - серый чугун с феррито-перлитной основой, III, в - серый чугун с ферритной основой.
8
а).
б).
в).
Рис.4. Микроструктуры серых чутунов, х 210:
а)
ферритного (феррит и графит);
б)
феррито-перлитного ( феррит,
перлит, графит);
в)
перлитного ( перлит, графит).
9
Высокопрочные чугуны
Величину и форму графитных включений в чугунах можно изменить модифицированием, т.е. введением в жидкий сплав небольших количеств веществ, называемых модификаторами (ферросилиций, силикокальций, магний и
др.).
Так при модифицировании магнием получается высокопрочный чугун
с шаровидным графитом. Магний является поверхностно-активным модификатором, обволакивает зародыши графита, способствуя образованию шаровидных включений. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность,
значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит. Такой чугун имеет более высокие механические свойства, большую прочность и пластичность по сравнению с серыми чугунами. Он не уступает по
свойствам углеродистой стали, обладая при этом положительными свойствами:
чугуна: хорошими литейными свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием, способностью гасить вибрации, хорошей износостойкостью.
Металлическая основа высокопрочных чугунов может быть ферритной
(рис.6.), перлитной и феррито - перлитной. Отливки из высокопрочного чугуна
широко используются в машиностроении.
Марки, свойства и назначения высокопрочных чугунов приведены в
таблице 2.
МАРКИ, МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА (ГОСТ 7293-85) И НАЗНАЧЕНИЕ
ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЧУГУНОВ,
Таблица 2.
Марка
ав, МПа 8,% НВ
Назначение
не менее
ВЧ35
350
22
140-170 Коленчатые валы автомобильных и тракВЧ40
400
15
140-202 торных двигателей, картеры, крышки циВЧ45
450
10
140-225 линдров, тормозные диски, корпус пароВЧ50
500
7
150-245 вой турбины.
ВЧ60
600
3
192-277
ВЧ70
700
2
228-302
ВЧ80
800
2
248-351
ВЧ100 100
2
270-360
Примечание: Высокопрочные чугуны маркируются буквами В - высокопрочные, Ч -чугун, число указывает предел прочности при растяжении (ов, кгс/мм2 ).
КОВКИЕ ЧУГУНЫ
Ковкий чугун получают длительным нагревом при высоких температурах
(отжигом) отливок из белого чугуна. В результате отжига цементит распадается и образуется графит хлопьевидной формы (рис.7). Металлическая основа
ковкого чугуна может быть ферритной, феррито-перлитной или перлитной.
Это зависит от режимов отжига. На рис.8 приведены две схемы отжига белого
чугуна на ковкий.
10
Если отжиг проводится по первой схеме, то при выдержке 950° С происходит распад цементита, входящего в состав ледебурита (Л [А + Fe3C] —> [А +
Г]), при охлаждении распадается вторичный цементит, выделяющийся из
аустенита. При выдержке 727 - 740° С распадается цементит перлита (П [Ф +
Fe3С] —> [Ф + Г]). В результате образуется ферритный ковкий чугун, имеющий структуру феррит + хлопьевидный графит.
11
Рис.5. Микроструктура серого чугуна с фосфидной эвтектикой,
х 300.
Рис.6. Микроструктура высокопрочного ферритного чугуна (феррит и
шаровидный графит), х 210
12
Если отжиг проводится без второй изотермической выдержки, то в этом случае распадается только цементит, входящий в состав ледебурита, и вторичный цементит, в результате получается перлитный ковкий чугун со структурой перлит +
хлопьевидный графит. Хлопьевидный графит меньше снижает прочность и пластичность металлической основы, чем пластинчатый. Перлитный ковкий чугун
имеет большую прочность и твёрдость, а ферритный, наоборот, более пластичен.
Ковкие чугуны нашли широкое применение в машиностроении. Из них изготавливают детали, сочетающие прочность с некоторым запасом пластичности, работающие в условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки.
Марки, свойства и применения ковких чугунов приведены в таблице 3.
Рис.7. Микроструктура ковкого чугуна (перлит и хлопьевидный графит), х 210.
ВРема и f **
Рис.8. Схема процессов отжига белого чугуна:
1- отжиг на ферритный ковкий чугун,
2- отжиг на перлитный ковкий чугун.
9.
13
МАРКИ, МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА (ГОСТ 1215-79) И
НАЗНАЧЕНИЯ
КОВКИХ ЧУГУНОВ.
Таблица 3.
Марка
КЧ 30-6
КЧ 33-8
ов, МПа
не
менее
294
323
5, %
не
менее
6
8
НВ Назначение
100-163 Отливки, работающие при неболь100-163 ших нагрузках: клапаны, муфты,
тройники, хомутики.
КЧ 35-10 333
10
100-163 Отливки, работающие при средних
КЧ 37-12 362
12
110-163 нагрузках: башмаки, подшипники
скольжения.
КЧ 45-7
441
7
150-207 Отливки, работающие при высоких
КЧ 50-5
490
5
170-230 нагрузках: картеры редукторов,
КЧ 55-4
539
4
192-241 пальцы, ступицы, скобы.
КЧ 60-3
588
3
200-269
КЧ 65-3
637
3
212-269 Отливки, работающие при особо
КЧ 70-2
686
2
241-258 высоких нагрузках и в условиях изКЧ 80-1,5 787
1,5
270-350 носа: муфты, звёздочки, буксы,
Тормозные колодки, коленчатые ваПримечание: Ковкие чугуны маркируются буквами К - ковкий, Ч - чугун,
лы, втулки и др.
первое число указывает предел прочности при растяжении (о в, кгс/ мм2),
второе число -относительное удлинение (5, %).
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И НАЗНАЧЕНИЯ ЧУГУНА.
Таблица 4.
Марка
СЧ15 ферритный
СЧ20 феррито-перлитный
СЧЗО перлитный
КЧ45-7
ферритоперлитный
ВЧ40 ферритный
ов, МПа 5, % не НВ не более
не менее менее
Назначение