ТЕМА 2. Исследование зависимости между структурой и свойствами чугунов.
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИКИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
КАФЕДРА СУДЕБНОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ И ФИЗИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
ОТЧЕТ
МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И МИКРОСТРУКРУР ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ
Выполнила ВОРОНИНА О.Н.
Проверила Боева В. В.
ВОЛГОГРАД 2010
ТЕМА 1. Исследование зависимости свойств и микроструктур углеродистых сталей в литом, деформированном и отожженном состояниях.
Цель работы: исследование микроструктуры углеродистых сталей в литом, деформированном и отожженном состоянии. Определение количества углерода в сталях по структуре в равновесном состоянии.
Задачи:
1. Определить по микроструктуре, к какому классу относится данный образец.
2. Доэвтектоидная сталь:
а) Определить количество феррита и перлита на глаз с помощью микроскопа
б) Определить процентное соотношение перлита и феррита по ГОСТ 8233-56 шкала 7
в) В доэвтектоидной стали определить процентное содержание углерода
г) Определить дефекты:
- полосчатость по ГОСТ 5640-68 шкала 3
- видманштетт по Гост 5640-68 шкала4
Теоретическая часть: Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14% называются сталями.
Сталь, как материал, используемый человеком, имеет многовековую историю. Наиболее древний способ получения стали в тестообразном состоянии — сыродутный процесс, в основе которого лежало восстановление железа из руд древесным углём в горнах (позднее в небольших шахтных печах). Для получения литой стали древние мастера применяли тигельную плавку — расплавление мелких кусков стали и чугуна в огнеупорных тиглях. Тигельная сталь характеризовалась весьма высоким качеством, но процесс был дорогим и малопроизводительным. Таким способом изготовляли, в частности, булат и его разновидность — дамасскую сталь. Тигельный процесс просуществовал до начала 20 в. и был полностью вытеснен электроплавкой. В 14 в. возник кричный передел, заключавшийся в рафинировании предварительно полученного чугуна в т. н. кричном горне. В конце 18 в. начало применяться пудлингование, при котором, как и при кричном переделе, исходным материалом был чугун, а продуктом — тестообразный металл (крица) качество металла при этом было выше, а сам процесс характеризовался более высокой производительностью. Лишь с появлением во 2-й половине 19 в. бессемеровского процесса и мартеновского процесса, а затем и томасовского процесса стало возможным массовое производство литой стали. В конце 19 в. начала применяться выплавка стали в электрических печах. До середины 20 в. главенствующее положение среди способов производства стали занимал мартеновский процесс, на долю которого приходилось около 80% выплавляемой в мире стали. В 50-х гг. был внедрён кислородно-конвертерный процесс, причём в последующие годы его роль резко возросла. Наряду с указанными способами массового производства стали развиваются более дорогие и менее производительные способы, позволяющие получать особо чистый металл высокого качества: вакуумная дуговая плавка, вакуумная индукционная плавка, электрошлаковый переплав, электроннолучевая плавка, плазменная плавка.
|
|
|
|
|
|
Структура и свойства стали. К стали, как важнейшему материалу современной техники, предъявляются разнообразные требования, что обусловливает большое число марок стали, отличающихся по химическому составу, структуре, свойствам. Основной компонент стали — железо. Свойственный железу полиморфизм, т. е. способность кристаллической решётки менять своё строение при нагреве и охлаждении, присущ и стали. Для чистого железа известны 2 кристаллические решётки — кубическая объёмоцентрированная и кубическая гранецентрированная. Температуры перехода одной модификации железа в другую (910 °С и 1400 °С) называются критическими точками. Углерод и др. компоненты и примеси стали меняют положение критических точек на температурной шкале. Взаимодействие углерода с модификациями железа приводит к образованию т. н. твёрдых растворов. Растворимость углерода в a-железе весьма мала; этот раствор называется ферритом. В g-железе, существующем при высоких температурах, растворяется практически весь углерод, содержащийся в стали; образующийся раствор называется аустенитом. Содержание углерода в стали всегда превышает его растворимость в a-железе; избыточный углерод образует с железом химическое соединение — карбид железа Fe3C, или цементит. Т. о., при комнатной температуре структура стали состоит из частиц феррита и цементита, присутствующих либо в виде отдельных включений (т. н. структурно-свободных феррита и цементита), либо в виде тонкой механической смеси, называемой перлитом. Общие сведения о температурных и концентрационных границах существования фаз (феррита, цементита, перлита и аустенита) даёт диаграмма состояния сплава(рис 1).
|
|
|
Рис 1. Структурный анализ диаграммы состояния железо-углерод.
ТЕМА 2. Исследование зависимости между структурой и свойствами чугунов.
|
|
|
Цель работы: исследование микроструктуры чугунов (белых, серых, высокопрочных, ковких); влияние микроструктуры чугунов на механические свойства.
Содержание работы: исследование микроструктуры белых, серых, высокопрочных и ковких чугунов.
Теоретическая часть:
Чугуном называется сплав железа с углеродом, содержащий углерода от 2,14 до 6,67%.
Свойства чугуна зависят главным образом от содержания в нем углерода и других примесей, неизбежно входящих в его состав: кремния (до 4,3%), марганца (до 2%), серы (до 0,07%) и фосфора (до 1,2%).
Углерод — один из главных элементов в чугуне. В зависимости от количества и состояния входящего в сплав углерода получаются те или иные сорта чугуна. С железом углерод соединяется двояко: в жидком чугуне углерод находится в растворенном состоянии, а в твердом — в химически связанном с железом или в виде механической примеси в форме мелких пластинок графита.
Кремний — важнейший после углерода элемент в чугуне, он увеличивает его жидкотекучесть, улучшает литейные свойства и делает чугун более мягким.
Марганец повышает прочность чугуна.
Сера в чугуне — вредная примесь, вызывающая красноломкость (образование трещин в горячих отливках). Она ухудшает жидкотекучесть чугуна, делая его густым, вследствие чего он плохо заполняет форму.
Фосфор понижает механические свойства чугуна и вызывает хладноломкость (образование трещин в холодных отливках). В зависимости от состояния, в котором углерод находится в чугуне, чугун подразделяется на белый (углерод в химическом соединении с железом в виде цементита FeC) и серый (свободный углерод в виде графита).
Рис.2 Различные формы графита в чугуне:
а) пластинчатый графит; б) хлопьевидный графит; в) шаровидный графит;
г) вермикулярный графит. × 200
Серый чугун - наиболее широко применяемый вид чугуна (машиностроение, сантехника, строительные конструкции) - имеет включения графита пластинчатой формы. Для деталей из серого чугуна характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагружениях и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2-4 раза выше, чем у стали). Важная конструкционная особенность серого чугуна - более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства чугуна. Свойства серого чугуна зависят от структуры металлической основы, формы, величины, количества и характера распределения включений графита. Перлитный серый чугун имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и т.д. Для менее ответственных деталей используют серый чугун с ферритно-перлитной металлической основой.
Рис.3 Микроструктура серых чугунов на ферритной (а), феррито-перлитной (б) и перлитной (в) основах. x200
Белый чугун представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не находящийся в твёрдом растворе железа, присутствует в связанном состоянии в виде карбидов железа Fe3C (цементит) или т. н. специальных карбидов (в легированном чугуне). Кристаллизация белых чугунов происходит по метастабильной системе с образованием цементита и перлита. Белый чугун вследствие низких механических свойств и хрупкости имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. Легирование белого чугуна карбидообразующими элементами (Cr, W, Mo и др.) повышает его износостойкость.
Рис.4 Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектический белый чугун; б – эвтектический белый чугун (Л); в – заэвтектический белый чугун
Отбеленный чугун отличается от белого распространением его твердой износоустойчивости структуры на наружный слой отливки и наличием в остальной части сечения структуры серого чугуна с пластинчатым или шаровидным графитом.
Рис.5 Отбеленный чугун.
Половинчатый чугун содержит часть углерода в свободном состоянии в виде графита, а часть - в связанном в виде карбидов. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки.
Рис.6 Структура половинчатого чугуна.
Ковким называется чугун в отливках, изготовленных из белого чугуна и подвергнутых последующему графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Ковкий чугун обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, удовлетворительно работает при низких температурах. Механические свойства ковкого чугуна определяются структурой металлической основы, количеством и степенью компактности включений графита. Металлическая основа ковкого чугуна в зависимости от типа термообработки может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной.
Наиболее высокими свойствами обладает ковкий чугун, имеющий матрицу со структурой зернистого перлита; им можно заменять литую или кованую сталь. В тех случаях, когда требуется повышенная пластичность, применяют ферритный ковкий чугун. Для интенсификации процесса графитизации при термообработке ковкий чугун модифицируют Te, В, Mg и др. элементами. Ковкий чугун используют в основном в автомобиле-, тракторо- и сельхозмашиностроении. Наблюдается тенденция (особенно в автомобилестроении) к замене ковкого чугуна высокопрочным с шаровидным графитом с целью повышения прочности отливок, уменьшения длительности технологического цикла и упрощения технологии изготовления.
Рис.7 Микроструктуры ковких чугунов, х300: а - ферритного; б - перлитного
Высокопрочный чугун, характеризующийся шаровидной или близкой к ней формой включений графита, получают модифицированием жидкого чугуна присадками Mg, Ce, Y, Ca и некоторых др. элементов (в чистом виде или в составе сплавов). Шаровидный графит в наименьшей степени ослабляет металлическую матрицу, что приводит к резкому повышению механических свойств чугуна с чисто перлитной или бейнитной структурой, приближая их свойства к свойствам углеродистых сталей. При чисто ферритной матрице (в литом или термообработанном состоянии) обеспечивается повышенный уровень пластичности. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и технологическими свойствами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием), но по значению сосредоточенной объёмной усадки приближается к стали. Такой чугун применяется для замены стальных литых и кованых деталей (коленчатые валы двигателей, компрессоров и т.д.), а также деталей из ковкого или обычного серого чугуна. Высокопрочные чугуны, имеющие включения т. н. вермикулярного графита (при рассмотрении в оптическом микроскопе - утолщённые изогнутые пластины со скруглёнными краями), по свойствам занимают промежуточное положение между чугуном с шаровидным и чугуном с пластинчатым графитом. Этот чугун обладает хорошими технологическими свойствами при небольшой объёмной усадке и высокой теплопроводностью (почти такой же, как у серого чугуна). Чугун с вермикулярным графитом применяется в дизелестроении и других областях машиностроения.
Рис.8 Микроструктуры высокопрочного чугуна.
А – ферритный; б – перлитно-ферритный; в – перлитный:
1 – феррит; 2 – шаровидный графит; 3 – перлит
Легированные чугуны. Для улучшения прочностных, эксплуатационных характеристик или придания чугуну особых свойств (износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионностойкости, немагнитности и т.д.) в его состав вводят легирующие элементы (Ni, Cr, Cu, Al, Ti, W, V, Mo и др.). Легирующими элементами могут служить также Mn при содержании > 2% и Si при содержании > 4%. Легированные чугуны классифицируют в соответствии с содержанием основных легирующих элементов – хромистые, никелевые, алюминиевые и т.д. По степени легирования различают низколегированные (суммарное количество легирующих элементов < 2,5%), среднелегированные (2,5-10%) и высоколегированные (> 10%). Низколегированные чугуны имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы; среднелегированные – обычно мартенситную; высоколегированные – в большинстве случаев аустенитную или ферритную.
Чугун с 5-7% Si применяется в качестве жаростойкого материала. Чугун с 12-18% Si (ферросилид) обладает высокой коррозионной стойкостью в растворах солей, кислот (кроме соляной) и щелочей. Такой чугун, легированный молибденом (антихлор), характеризуется высокой стойкостью в соляной кислоте. Чугун с 19-25% Al обладает наибольшей по сравнению с известными чугунами, жаростойкостью в воздушной среде и средах, содержащих серу. В качестве износостойких наибольшее распространение получили чугуны, легированные Cr (до 2,5%) и Ni (до 6%) – нихарды. Аустенитные никелевые чугуны, легированные Mn, Cu, Cr (нирезисты), применяются как коррозионностойкие и жаропрочные.
Маркировка чугунов. По принятой в СССР маркировке обозначения марок доменных чугунов содержат буквы и цифры. Буквы указывают основное назначение чугуна: П – передельный для кислородно-конверторного и мартеновского производства и Л – литейный для чугунолитейного производства. Литейный коксовый чугун обозначают ЛК, в отличие от чугуна, выплавленного на древесном угле (ЛД). С увеличением числа в обозначении марки уменьшается содержание кремния (например, в чугуне ЛК5 содержится меньше кремния, чем в чугуне ЛК4). Каждая марка чугуна в зависимости от содержания Mn, Р, S подразделяется соответственно на группы, классы и категории. Марки чугуна литейного производства, как правило, обозначаются буквами, показывающими основной характер или назначение чугуна: СЧ – серый Ч., ВЧ – высокопрочный, КЧ – ковкий; для антифрикционного чугуна в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марок нелегированного чугуна указывают его механические свойства. Для серых чугунов приводят регламентированные показатели пределов прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм2), например СЧ21-40. Для высокопрочного и ковкого чугуна цифры определяют предел прочности при растяжении (в кгс/мм2) и относительное удлинение (в %), например ВЧ60-2. Обозначение марок легированных чугунов состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав чугуна , и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание данного легирующего элемента; при содержании легирующего элемента менее 1,0% цифры за соответствующей буквой не ставятся. Условное обозначение химических элементов такое же, как и при обозначении сталей. Пример обозначения легированных чугунов.: ЧН19ХЗ – чугун, содержащий ~19% Ni и ~3% Cr. Если в легированном чугуне регламентируется шаровидная форма графита, в конце марки добавляется буква Ш (ЧН19ХЗШ).
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 156; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!