Лабораторная работа №3. Диаграмма состояния железо - углерод. Структура, свойства и применение чугунов
Цель работы
1. Изучить превращения в области чугунов диаграммы железо-углерод.
2. Приобрести навыки изучения микроструктур белых и серых чугунов.
3. Изучить зависимость свойств чугунов от их структуры.
Приборы, материалы, учебные пособия
1. Металлографический микроскоп.
2. Набор микрошлифов.
3. Альбом микроструктур, справочные материалы.
Структура, свойства и применение чугунов
Чугуны – сплавы железа с углеродом и с другими элементами с содержанием углерода более 2%.
Рис.3.1 Часть диаграммы железо-углерод, отображающая структуры чугунов. Сплошные линии –метастабильная диаграмма, пунктирные – стабильная.
Процессы кристаллизации и структурообразования в чугунах отражает подсистема диаграммы железо-углерод, которая изображена на рис. 3.1.
Белые чугуны
Белые чугуны образуются при быстром охлаждении и их структура описывается метастабильной диаграммой.
Структура белых чугунов зависит от содержания углерода и они классифицируются по структуре и содержанию углерода следующим образом: чугуны с содержанием углерода до 4,3% (левее точки С) называются доэвтектическими, с содержанием углерода 4,3% (точка С) – эвтектическими, с содержанием углерода более 4,3% (правее точки С) – заэвтектическими.
Эвтектический белый чугун. Сплав 2.
В точке С при постоянной температуре 1130 ° С происходит кристаллизация жидкости по реакции Жс → А Е +Ц F. Образующаяся смесь аустенита и цементита называется ледебуритом и представляет собою пластины цементита со столбиками аустенита в них. После окончания кристаллизации сплав будет охлаждаться далее. Содержание углерода в столбиках аустенита при охлаждении будет уменьшаться по линии SЕ. На линии PSK аустенит будет содержать 0,8% (т.S) и распадается на перлит.
Ниже линии РSК ледебурит будет состоять из пластин цементита и столбиков перлита в них. Пример структуры ледебурита изображен на рис. 3.2.
Рис.3.2 Микроструктура ледебурита (а) и ее схематическое изображение (б)
Доэвтектический белый чугун (сплав 1).
Чуть ниже линии АС (рис.3.2) в жидкости возникают и растут зародыши аустенита. При произвольной температуре t состав аустенита определяется проекцией точки m, а жидкости – точки n на ось концентраций, то есть состав аустенита в процессе кристаллизации изменяется по линии солидус АЕ, а состав жидкости – по линии ликвидус АС. Количество аустенита и жидкости при температуре t определяется, как
и 
.
На линии ЕСF происходит кристаллизация ледебурита также как в сплаве 2. После окончания кристаллизации ледебурита сплав 1 состоит из зерен аустенита состава точки Е и ледебурита. При дальнейшем охлаждении сплава содержание углерода в зернах аустенита уменьшается по линии SЕ и углерод, выходящий на поверхность его зерен образует слой вторичного цементита. На линии РSК в аустените останется 0,8% С и аустенит распадется на перлит. Превращения в ледебурите при охлаждении сплава 1 полностью совпадают с превращениями в сплаве 2. После окончания перлитного превращения сплав 2 охлаждается до комнатной температуры и структура доэвтектического сплава 1 состоит из перлита +цементита вторичного +ледебурита и имеет вид, изображенный на рис.3.3.
Рис.3.3 Микроструктура белого доэвтектического чугуна и ее схематическое изображение
Заэвтектический белый чугун. Сплав 3.
Ниже линии СД (рис.2.1) в сплаве будет происходить кристаллизация цементита первичного в виде пластин. При произвольной температуре t состав жидкости определяется проекцией точки k на ось концентрации, то есть состав жидкости изменяется по линии ликвидус СД.
Количество жидкости и цементита первичного при температуре 
и 
.
На линии ЕСF происходит кристаллизация ледебурита как и в эвтектическом сплаве 2. Все дальнейшие превращения в ледебурите будут аналогичны превращениям в эвтектическом сплаве 2 и конечная структура заэвтектического сплава 3 состоит из цементита первичного и ледебурита и изображена на рис.3.4.
Рис.3.4 Микроструктура белого заэвтектического чугуна и ее схематическое изображение
Применение белых чугунов
В своей структуре белые чугуны содержат большое количество цементита, обладающего высокой твердостью, прочностью, хрупкостью и имеющего белый цвет, чем и обусловлен цвет и название белых чугунов. Так, например, в сплаве 3 при комнатной температуре количество цементита в структуре равно 
Из-за большого количества цементита в своей структуре белые чугуны обладают высокой твердостью, износостойкостью, хрупкостью и поддаются обработке резанием только сверхтвердыми сплавами. Белые чугуны применяют в основном в виде слоя отбеленного чугуна на поверхности изделия, внутри которых кристаллизуется серый чугун вследствие замедления охлаждения, например, прокатные валки.
Такие изделия имеют твердую износостойкую поверхность и более пластичную, вязкую сердцевину.
Белый доэвтектический чугун также используется в виде заготовок среднего литья, отжигаемых впоследствии на ковкий чугун.
Серые чугуны
В серых чугунах часть углерода находится в свободном состоянии в виде стабильной фазы-графита и поэтому в серых чугунах кристаллизация и структурообразование происходят при медленном охлаждении по стабильной диаграмме железо-углерод. (рис. 3.5).
Ниже линии АС ′ в жидкости происходит кристаллизация аустенита, причем содержание углерода в жидкости изменяется по линии АС′, а в аустените - по линии АЕ′. И когда сплав 1 охладится до линии Е′ С′ F′ оставшаяся жидкость будет иметь состав С′.
Рис 3.5 Часть стабильной диаграммы сплавов Fе – С, отражающая процессы кристаллизации и структурообразования в серых чугунах.
В сплаве 3 при медленном охлаждении ниже линии С′ Д′ в жидкости будет происходить кристаллизация графита в виде столбиков. Из-за различной плотности графита и жидкости столбики графита будут всплывать в верхнюю часть отливки и поэтому в структуре не наблюдается. Содержание углерода в жидкости будет изменятся по линии С ′ Д ′ и когда сплав 3 охладится до линии Е ′ С ′ F ′ жидкость будет иметь состав точки С ′.
Таким образом, независимо от содержания углерода, жидкость на линии Е′ С′ F′ будет иметь состав точки С′.
При медленном охлаждении, немного ниже линии Е′ С′ F′ при постоянной температуре в жидкости происходит совместная кристаллизация аустенита и графита по реакции ЖС ′ АЕ ′ + Г.
Графитовые включения кристаллизуются в виде розеток с тремя, четырьмя искривленными лепестками.
После окончания процесса кристаллизации А Е′ и Г сплав будет охлаждаться далее, растворимость углерода в аустените уменьшается по линии Е ′ S ′, лишний углерод уходит из аустенита на ранее образовавшиеся графитные включения, наслаиваясь на них и увеличивая их размеры. При охлаждении сплава до линии Р ′ S ′ К ′ содержание углерода уменьшится до 0,7% (т.S′)
|
|
|
Рис.3.6. Микроструктура серого чугуна с крупнопластинчатым графитом и ее условная зарисовка: а – на ферритной основе, б – на феррито-перлитной основе, в – на перлитной основе.
При очень малой скорости охлаждения или даже выдержки в интервале температур 738…723 ° С произойдет полное превращение аустенита в феррит и получится ферритная металлическая основа с графитными включениями, то есть структура феррит+графит (рис. 2.6а) – серый чугун на ферритной основе, имеющий низкие механические свойства – малую выносливость и хрупкость.
При большей, промежуточной, скорости охлаждения часть аустенита, находящегося около графитных включений при охлаждении в интервале температур между линиями Р′ S′ К′ и РSК, превратится в феррит, а оставшаяся часть аустенита, находящаяся дальше от графитовых включений, переохладится ниже линии РSК и распадется на перлит. Получится серый чугун на феррито-перлитной основе с графитовыми включениями (рис.3.6б), имеющий небольшие, но более высокие, чем предыдущий сплав, механические свойства.
При большой скорости охлаждения превращение аустенита в феррит в интервале температур между линиями Р′ S′ К′ и РSК произойти не успеет, аустенит переохладится ниже линии РSК, распадется на перлит и получится перлитная металлическая основа с графитными включениями, то есть структура перлит+графит (рис.3.6в). Это наилучший вид литейного серого чугуна, который может быть использован также как антифрикционный сплав для подшипников скольжения. Таким образом, при кристаллизации и структурообразовании серых чугунов независимо от содержания углерода в сером чугуне получаются структуры, изображенные на рис. 3.6, из анализа которых можно сделать вывод о том, что металлическая основа серых чугунов похожа на структуру технического железа, доэвтектоидной и эвтектоидной стали и, следовательно, серые чугуны можно рассматривать, как стали с графитными включениями.
Серые чугуны классифицируются по типу металлической основы: на ферритные, феррито- перлитные, перлитные и по форме графитовых включений: серые чугуны с крупнопластинчатым графитом, серые чугуны с мелкопластинчатым графитом, высокопрочные чугуны с шаровидным графитом и ковкие чугуны с хлопьевидным графитом.
Влияние примесей на кристаллизацию и структурообразование чугунов
Кремний обязательно присутствует в чугунах и оказывает большое влияние на структуру и свойства чугунов. Кремний приводит к уменьшению растворимости углерода в аустените и смещению точек Е′ и С′ на диаграмме влево тем сильнее, чем больше его содержание.
Смещение эвтектической точки С′ влево при наличии кремния приводит к тому, что доэвтектический чугун становится заэвтектическим и при охлаждении жидкости в нем начнется кристаллизация не аустенита, а графита. Если проводить модифицирование серого чугуна мелко раздробленным ферросицилием, его частицы, растворяясь локально обогащают расплав кремнием. Это приводит к появлению большого числа более мелких графитных включений в структуре чугуна, то есть получается его структура с мелкопластинчатым графитом. Такой чугун обладает прочностью в 1,5…2 раза выше прочности чугуна с крупнопластинчатым графитом. Обычно содержание кремния в чугунах колеблется в пределах 1,2…3,5%. Серые чугуны с крупнопластинчатым графитом и с мелкопластинчатым графитом называют собственно серыми и маркируют буквами СЧ, затем следует число, которое показывает среднее значение временного сопротивления σ в при растяжении (кгс/мм 2).Например СЧ18 – серый чугун σв =18 кгс/мм2.
Высокопрочный чугун.
Для повышения прочности чугуна в него вводят небольшие добавки щелочных или щелочноземельных металлов, чаще всего магния, при концентрации 0,03…0,07%. Пары магния, обрабатывая расплав, способствуют кристаллизации графита в виде шариков, и получается чугун с шаровидным графитом. Шаровидные графитные включения имеют минимальную поверхность раздела с металлической матрицей и не являются такими сильными концентраторами напряжений, как графитные включения в виде крупных и мелких пластин.
Это обстоятельство, а так же то, что магний, растворяясь в зернах и на их границах, изменяет металл как легирующий элемент, приводит к повышению прочности чугуна, благодаря чему он и получил свое название высокопрочный чугун (рис. 3.7).
Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ, затем следуют числа. Первые числа показывают среднее значение временного сопротивления σ в при растяжении (кгс/мм 2), второе – относительное удлинение δ (%), например, ВЧ 100-4 – высокопрочный чугун, σ в = 100 кгс/мм 2, δ =4%.
Рис.3.7 Микроструктура высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и ее условная зарисовка. а – на ферритной основе, б – на феррито-перлитной основе, в – на перлитной основе.
Ковкий чугун
Ковкий чугун получают из белого доэвтектического чугуна с содержанием углерода 2,5…3% и кремния 0,8…1,6% путем длительного (около 100 часов) графитизирующего отжига при температуре около 900-1000 °
Цементит является метастабильной фазой и при высокой температуре, в процессе выдержки, распадается на стабильные фазы аустенит и графит, который выделяется в виде комков и под микроскопом имеет хлопьевидную форму, т.е. получается ковкий чугун с хлопьевидным графитом (рис.3.8).
По прочности ковкие чугуны занимают промежуточное положение между чугунами с мелкопластинчатым графитом и высокопрочными чугунами.
Структура ковкого чугуна и его схематическое изображение приведена на рис. 3.8
Ковкий чугун маркируют буквами КЧ, затем следуют числа. Первое число показывает среднее значение временного сопротивление σ в при растяжении (кгс/мм 2), второе –относительное удлинение δ (%), например, КЧ 50-4 – ковкий чугун, σ в =50 кгс/мм 2, δ =4%.
Рис.3.8. Микроструктура ковкого чугуна с хлопьевидным графитом и ее условная зарисовка. а – на ферритной основе, б – на феррито-перлитной основе, в – на перлитной основе.
Применение серых чугунов
Наличие графитных включений ослабляет металлическую основу серых чугунов и снижает их прочность, как из-за уменьшения работающего сечения металлической основы, так и из-за того, что края графитных включений являются концентраторами напряжений, способствуя разрушению чугуна. Сопротивление при растяжении, изгибе и кручении в основном определяется формой, размером и количеством графитных включений.
При сжатии серых чугунов форма, количество и размеры графитных включений практически не оказывает влияния на предел прочности, который оказывается близким к пределу прочности стали и зависит главным образом от типа металлической основы. Прочность серых чугунов при сжатии в 3-5 раз больше, чем при растяжении. Поэтому серые чугуны рекомендуется использовать для изделий, работающих в основном на сжатие. Графитные включения, нарушающие сплошность металлической основы, делают чугуны малочувствительными к различным внешним концентраторам напряжений (дефекты поверхности, надрезы, выточки и т.д.), то есть делают детали из серых чугунов неподверженными усталостным разрушениям.
Графитные включения улучшают обрабатываемость чугунов резанием.
При работе чугуна в парах трения чугун, изнашиваясь, создает полости, заполняемые смазочным маслом, что повышает антифрикционные свойства чугуна.
Графитные включения в серых чугунах увеличивают демпфирующую способность изделий из них, то есть их внутреннее трение, или, иначе говоря, способность чугунов рассеивать подводимую к нему энергию механических колебаний, что снижает шумы при работе машины с такими деталями.
Высокопрочный чугун широко используют в автостроении и дизелестроении для коленчатых валов, крышек цилиндров и других деталей, в тяжелом машиностроении – для деталей прокатных станов, в кузнечно-прессовом оборудовании, в химической и нефтяной промышленности. Ковкий чугун применяется для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.