653

2. МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ЧУГУНОВ

Цель работы: изучить типичные микроструктуры чугунов, определить по структурным составляющим название чугунов.

Лабораторное оборудование и материалы.

1.Коллекция микрошлифов чугунов.

2.Металлогрфический микроскоп.

3.Фотографии микроструктур железоуглеродистых сплавов.

4.Диаграмма системы «Fe–Fe3C».

2.1. Виды чугунов

Сплавы железа и углерода, содержащие более 2,14 % углерода, называются чугунами. Они отличаются от сталей большим содержанием углерода и примесей — марганца, кремния, серы и фосфора. Основным фактором, определяющим свойства, а следовательно и область применения чугуна, является его структура. В зависимости от микроструктуры различают белые чугуны и чугуны с графитом.

Белые чугуны. В них углерод находится в связанном состоянии преимущественно в виде цементита, вследствие чего эти чугуны имеют высокую твердость и очень хрупкие. Согласно диаграммесостоянияFe–Fe3C,белыечугунымогутбытьдоэвтек- тическими (С < 4,3 %), эвтектическими (С = 4,3 %) и заэвтектическими (С > 4,3 %). Первичная кристаллизация всех чугунов заканчивается эвтектическим превращением при t = 1147 °С.

ЖР4,3 (Л2,14 + Ц6,67)

Следовательно, для структуры белых чугунов характерным является наличие ледебурита — эвтектики, образующейся при температуре 1147 °С из жидкого раствора состава 4,3 % С.

Структура белого доэвтектического чугуна при комнатной температуре состоит из перлита, цементита вторичного и ледебу-

рита (П + ЦII + Л) (рис. 2.1, а).

Подмикроскопомвструктуребелогодоэвтектическогочугуна видны темные участкиперлита исветлые с темными крапинками поля видозмененного ледебурита.В ледебурите темные вкрапления представляют собой перлит, а светлые участки — цементит. Этот цементит, выделившийся из жидкого раствора эвтектического состава,припервичнойкристаллизацииледебуританазывают эвтектическим. Вторичный цементит, выделившийся из аустенита, распределяется в виде светлых включений и игл, а местами сливается с эвтектическим цементитом.

11

По диаграмме Fe–Fe3C легко определить структуру и других групп чугунов: структура эвтектического белого чугуна состоит изледебурита;структуразаэвтектическогобелогочугунасостоит из первичного цементита, выпавшего из жидкости в области CDF, и ледебурита. При микроисследовании видны крупные светлыепластины первичного цементитаи белые поля сточечными темнымивкраплениями(ледебуритвидоизмененный)(рис. 2.1,б).

Рис. 2.1. Микроструктура белых чугунов, 200: а — доэвтектического; б — заэвтектического

Чугуны с графитом. Углерод, находящийся в чугуне, при определенных условиях кристаллизации может лишь частично входить в состав металлической основы (Ссвяз %), а часть его может выделиться в свободном состоянии (Ссвоб %) в виде неметаллических включений, которые называются графитом. Поэтому для чугунов справедлива следующая запись:

Собщ = Ссвяз + Ссвоб.

Структура и свойства чугунас графитом определяются двумя параметрами:

—формой графитных включений;

—структурой металлической основы, которая, как указано выше, зависит от количества углерода, находящегося в связанном состоянии.

В зависимости от технологии производства чугунов форма выделений графита может быть различной.

Пластическая форма графита Гпл самая неблагоприятная по прочности и пластичности. Чугуны с пластинчатой формой графита называются серым. Пластинки могут быть удлиненной формы, короткими и в виде запятых (завихренный графит).

12

Шаровидная форма графита Гш образуется при модифицированиичугуновмагниемили церием.Чугун сшаровидной формой графита называется высокопрочным, так как имеет высокую прочность и повышенную пластичность.

Если белый чугун подвергнуть отжигу, то получим чугун с хлопьевидной формой графита Гхл. Такой чугун называется ковким. Ковкий чугун имеет более высокие показатели прочности и пластичности, чем обычный серый чугун с пластинчатыми включениями графита, но более низкие, чем высокопрочный чугун.

Структураметаллической основы чугуна зависит от количества углерода, находящегося в связанном состоянии. По структуреметаллической основы все чугуны с графитом делятся на:

— перлитныесоструктурой черных включений графита,расположенных на темно-серой основе перлита. В этих чугунах количество связанного углерода составляет 0,8 %;

—феррито-перлитныесоструктуройчерныхвключенийгрфи- та, расположенных на феррито-перлитной основе, причем феррит (светлый) обычно окаймляет включения графита;

—ферритные со структурой черных включений графита, расположенных на светлом фоне равноосных зерен феррита.

Схемы микроструктур серого, ковкого и высокопрочного чугунов на разной основе показаны на рис. 2.2.

2.2. Получение ковкого чугуна

Ковкие чугуны получают путем графитизирующего отжига белых доэвтектических чугунов. По структуре металлической основы, котрая определяется режимами отжига, ковкие чугуны бывают ферритными, перлитными или феррито-перлитными

(см. рис. 2.2).

13

Отжигнаферритные чугуныпроводят порежиму1(рис.2.3).

Рис. 2.3. Схемы отжига белого чугуна на ферритный (1) и перлитный (2) ковкий чугун

Отливки из белого чугуна медленно нагревают до температуры 950–1000 °С, выдерживают в течении длительного времени 10–15 ч. При этом происходит первая стадия графитизации. Вторичный цементит и цементит, входящий в ледебурит, растворяетсяивыделяетсяввидеграфитахлопьевиднойформы.Кроме графита в структуре присутствует аустенит.

Затем температуру медленно снижают до 720–740 °С и выдерживают в течении 25–30 ч. Это вторая стадия графитизации. В процессе выдержки при этой температуре происходит распад перлита на феррит и графит. В результате такого отжига формируется структура, состоящая из феррита и хлопьевидного графита. Если на второй стадии графитизации время выдержки сократить, то можно получить ферритно-перлитный ковкий чугун.

Перлитный ковкий чугун получают отжигом, который проводят по режиму 2 (см. рис. 2.3). В этом случае увеличивают продолжительность первой стадии грфитизации после которой проводят непрерывное охлаждение отливки. Графитизация це-

14

ментита перлитане происходит, поэтому чугун имеет структуру, состоящую из перлита и хлопьевидного графита.

Ковкий и высокопрочный чугуны широко применяют в автомобильном, сельскохозяйственном машиностроении, в судо-, котло-, вагоно- и дизелестроении.Из них изготавливают детали, работающие в тяжелых условиях износа, при ударных и знакопеременных нагрузках. Это такие детали, как коленчатые вала, буксы, тормозные диски и колодки, звенья приводных цепей. Серыйчугуниспользуется применьших нагрузках.Это станины станков, корпуса гидронасосов, блоки цилиндров, головки и гильзы цилиндров двигателей и т.д.

2.3.Порядок выполнения работы

1.Провести исследование микроструктуры чугунов из коллекции шлифов.

2.Зарисовать схематично каждую исследуемую структуру чугуна, обозначить стрелкамииназватьструктурные составляющие.

3.Поструктурнымсоставляющимопределитьназваниечугуна.

4.Описать способ получения ковких чугунов, начертить график отжига.

5.Из серии исследованных чугунов выделить наиболее твердый и наиболее мягкий.

Контрольные вопросы

1.Перечислите виды чугунов, дайте их определение.

2.Укажите способ получения высокопрочных чугунов.

3.Какую структуру имеют белые чугуны?

4.Чем отличается структура и свойства белого чугуна от структуры

исвойств серого чугуна?

5.Как повлиять на процесс графитизации?

Библиографический список

1.Гуляев А.П. Металловедение: Учеб. для вузов. 6-е изд., перераб. М.: Металлургия, 1986. 544 с.

2.Материаловедение: Учеб. для втузов / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. 2-е изд., испр. и доп. М.: Машиностроение, 1986. 384 с.

3.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1980. 493 с.

15

Учебное издание

МИКРОСТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплинам «Материаловедение», «Транспортное материаловедение»

Составители Тихомирова Людмила Борисовна Щелоков Сергей Вячеславович

Редактор П.В. Грес Компьютерная верстка Ю.В. Борцова

Издательство Сибирского государственного университета путей сообщения 630049, Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191

Тел./факс: (383) 328-03-81. Е-mail: press@stu.ru