Структура углеродистой стали

 

Цель работы: ознакомиться с обозначением, строением и свойствами фаз и структурных составляющих диаграммы состояния сплавов железоцементит для области сталей; выполнить анализ этой части диаграммы; записать классификацию сталей по диаграмме (по структуре); рассмотреть микроструктуру четырех марок сталей, зарисовать их. Определить по структуре количество углерода в каждой из них и записать их марку по ГОСТ 1050-88 или ГОСТ 1435-90.

Оснащение рабочего места

1. Три - пять комплектов микрошлифов шести марок углеродистой стали.

2. Металломикроскопы - 3...5 шт.

3. Плакаты: «Диаграмма состояния сплавов системы железо цементит»; «Фазы и структурные составляющие диаграммы состояния сплавов железоцементит».

 

Общие положения

Линии диаграммы (критические температуры сплавов) означают изменение строения и свойств сплавов.

Две верхние линии (ликвидус и солидус) обозначают первичные превращения сплавов, т.е. изменение строения при переходе из жидкого состояния в твердое и наоборот.

Линии ниже второй сверху называются линиями вторичных превращений (перекристаллизации), они обозначают изменение строения в твердом состоянии.

На диаграмме (рис. 1): Ж - жидкий расплав сталей; А - аустенит, твердый раствор углерода в железе с ГЦК решеткой – Fe_g (С); Ф - феррит, твердый раствор углерода в железе с ОЦК решеткой (практически чистое железо) – Fe_α(С); Железо Fе_a(С) ОЦК решеткой содержит (при 727ºС) 0,02% С; Ц - цементит, карбид железа, Fе₃C, содержит 6,67 % С; П - перлит, эвтектоид, т.е. механическая смесь кристаллов (зерен, пластин) Ф и Ц, П = Ф + Ц и содержит 0,8 % С.

Рассмотрим охлаждение стали 40: при температуре точки 3 из А начинает выделяться новая фаза Ф; от точки 3 до точки 4 количество вновь родившейся фазы Ф растет (отрезок справа, т.к. действует правило «родился → растет», т.е. отрезок, который растет, означает количество родившейся фазы). При этом в остатках А, из которого выделяется Ф (чистое железо), количество углерода растет по линии, на которой стоит точка 3; при t = 727°C, т.е. точка 4, в остатках А количество углерода равно 0,8%. Происходит А_(0,8%С) →П_(0,8%С), причем пока не закончится это превращение, температура постоянна и равна 727º С (см. участок 4 – 4’ на графике охлаждения); при t < 727°С происходит остывание стали и она состоит из перлит + феррит.

Рассмотрим нагревание стали У13: до точки 4 (727°С) сталь состоит из Ц (левый отрезок) и П (правый отрезок); в точке 4 (t = 727°C) П _(0,8%С) → A _(0,8%С), причем пока идет это превращение, температура постоянна (см. 4' - 4 на графике нагревания) и равна 727° С. Выше точки 4 (t > 727°С) количество родившейся фазы (А) увеличивается, а «старая» Ц (левый отрезок) уменьшается. При температуре точки 3 вся «старая» фаза Ц растворилась в А; при температуре от точки 3 до точки 2 идет нагревание А; в точке 2 - начало расплавления, т.е. родилась новая фаза Ж (отрезок слева, волнистая линия). От точки 2 до точки 1 количество вновь родившейся фазы Ж растет (отрезок волнистой линии слева растет); и в точке 1 весь сплав перешел в Ж (справа отрезка твердого А нет).

 

Задание студенту

1. Ознакомиться с фазами и структурными составляющими диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов системы железоцементит.

2. Выполнить анализ превращений, происходящих при нагревании стали 40 и охлаждении стали У13.

3. Рассмотреть в металломикроскоп микрошлифы шести марок углеродистой стали и оформить отчет.

 

Содержание отчета

1. На диаграмме состояния сплавов железоцементит обозначить фазы и структурные составляющие в области сталей, записать их обозначение, определение и свойства.

1. Рассмотреть микрошлифы шести марок углеродистых сталей, зарисовать их, определить количество углерода в каждой из них и записать марку стали по ГОСТ (ближайшую по содержанию углерода).
2. Записать вывод (по рис. структуры рассмотренных сталей).

 

Схема микроструктуры стали	Описание структуры стали	Класси-фикация стали	Площадь занятая перлитом, %	Содержание углерода в стали. Марка стали по ГОСТ
		Доэвтек-тоидная		Сталь 15 ГОСТ 1050-88

Контрольные вопросы

1. Дать определения, что такое сталь и чугун.

2. Дать определение фаз и структурных составляющих диаграммы состояния в области сталей. Каковы их свойства обозначение, строение?

3. Почему на линиях диаграммы начинается и затем продолжается изменение строения сплавов?

4. До какой структуры (температуры) надо нагреть сталь (дать название структуры); чтобы хорошо ковалась?

5. Проанализировать по диаграмме Fe – Fe₃C охлаждение из жидкого состояния стали У10, стали 80 и нагревание до расплавления стали 20.

6. Какова структура стали 20 при 800°С? Указать соотношение жидкой и твердой фаз, их химсостав.

7. Какова структура стали У10 при 1300°С.

8. Какие выводы следуют из рисунков микроструктуры шести марок углеродистой стали?

 

Литература

1. Арзамасов Б.Н. и др. Материаловедение, М.: 1986.

2. Лейкин А.К. и др. Материаловедение. М.: 1981.

3. Шишко Л.А. Система железо-углерод. М.: 1976.

4. Л. Ван Флек. Теоретическое и прикладное материаловедение. М.: 1975.

Лабораторная работа № 6

СТРУКТУРА ЧУГУНОВ

 

Цель работы: ознакомиться с обозначением, строением и свойствами фаз и структурных составляющих диаграммы состояния сплавов системы железоцементит; выполнить анализ диаграммы для области чугунов; записать классификацию конструкционных чугунов; рассмотреть микроструктуру четырех микрошлифов конструкционных чугунов; определить их название по рассмотренной классификации; зарисовать их микроструктуру и записать ориентировочно марку чугуна по ГОСТ 1412-79, ГОСТ 7293-85, ГОСТ 1215-79.

Оснащение рабочего места

1. Три - пять комплектов микрошлифов четырех марок конструкционных чугунов.

2. Металломикроскопы – 3…5 штук.

3. Плакаты: «Диаграмма состояния сплавов системы железоцементит»; «Структуры чугунов»; «Строение и применение конструкционных чугунов».

4. Образцы изломов чугуна.

 

Основные положения

Метастабильная (неустойчивая) структура (сплошные линии диаграммы) получаются при быстром охлаждении чугунов, стабильная (пунктирные линии) - при медленном охлаждении (рис. 1).

Составляющие метастабильной структуры на диграмме обозначены следующим образом: Л-ледебурит, эвтектика, т.е. механическая смесь А + Ц (Л = А + Ц и содержит 4,3 % С); остальные составляющие - смотри лабораторную работу «Структура сталей».

Рассмотрим охлаждение чугуна с 3,2 % С. При температуре точки 1 начинается выделение из жидкости (Ж) кристаллов А (правый отрезок пр правилу «родился → растёт»); при температуре точки 2 остатки жидкости имеют 4,3% С и превращаются в эвтектику – ледебурит; при температуре точки 2 структура чугуна аустенит + ледебурит и аустенит теряет углерод по линии ES. В точке 4 А имеет 0,8% С, следовательно, пойдет превращение при 727º С А_0,8%С → П, и ниже точки 4 структура будет П + Л_п.

Рассмотрим нагревание чугуна с 5% С. При нагреве до точки 4 (727ºС) П → А_0,8%С (см. 4 – 4’ на графике нагревания); при температуре точки 4 структура чугуна Ц + Л = Ц + А + Ц, где А «набирает» из Ц углерод по линии SE, и при температуре точки 2 аустенит (А) имеет 2,14% С и начинается расплавление, которое идет при постоянной температуре пока весь Л = А_2,14%С + Ц не расплавится (см. участок 2-2’ на кривой нагревания).

Структуры, обозначенные на диаграмме, имеют так называемые белые чугуны, у которых весь углерод находится в цементите (Fe₃C = карбид железа), вследствие чего они чрезвычайно тверды, хрупки, поэтому применяются редко и не имеют марок и ГОСТа.

Особенность чугуна как конструкцуионного материала и его отличие от стали:

1. Чугун одержитуглерода более 2,14%.
2. Большая часть углерода в чугунах представлена в виде графита.
3. Механические свойства чугунов зависят от структуры металлической основы (ферритная, ферритно-перлитная, перлитная) и формы графита (пластичная, хлопьевидная, шарообразная, вермикулярная).

1. Наличие графита в структуре чугуна улучшает обрабатываемость его резанием (кроме белого чугуна), т. к. образуется ломкая стружка.
2. Чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, т. к. графит обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения.
3. Из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрацию и имеет повышенную циклическую вязкость.
4. Чугун обладает высокой жидкотекучестью, имеет хорошие литейные сво-йства.
5. Изделия из чугуна получают литьём или обработкой заготовки резанием.
6. Детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, переходы в сечениях, отверстия и т. д.).
7. Чугун дешевле стали и производство изделий из чугуна литьём также дешевле изготовления стальных обработкой резанием.

Конструкционные чугуны получают при медленном охлаждении отливок. Для их получения применяют специальные легирующие добавки, или модификаторы.

Если охлаждение чугунов в области температур 1153…1147ºС и 738…727ºС замедлить, то часть цементита, стремясь к более устойчивому состоянию, распадется на железо и углерод (Fe₃C → Fe+C), а углерод в форме хлопьев графита соберется в отдельных местах структуры. Так получают конструкционные чугуны, которые называются ковкими (название условное, потому что после отжига чугуны приобретают некоторую пластичность). Ковкие чугуны получают длительным отжигом (от 0,3 до 120 часов) отливок из белого чугуна с выдержкой в интервале температур 950…970ºС и 720…760ºС. Применяют их для отливок небольшого размера (поэтому отливки быстро охлаждаются и получается белый чугун, который длительным отжигом «переводят» в ковкий).

Марки ковких чугунов по ГОСТ 1215-79:

КЧ 30 - 6

 

s_в = 30 кгс/мм² d = 6%

 

КЧ 37 - 12

 

s_в = 37 кгс/мм² d=12 %.

 

s_в – временное сопротивление, предел прочности на растяжение, прочность на растяжение, кгс/мм²;

d - относительное удлинение, %; показывает, на сколько процентов деталь можно «растянуть» (деформировать), прежде, чем она разорвётся (разрушится).

 

Отливки большого размера (станины станков, корпуса машин, механизмов, узлов, блоки цилиндров ДВС) остывают медленно, т.е. есть время для превращения (распада цементита) Fe₃C → Fe + C, причем углерод также собирается в отдельных местах структуры в виде пластин графита, а на микрошлифах выглядит как трещины, заполненные графитом. Такие конструкционные чугуны называются серыми.

Марки серых чугунов по ГОСТ 1412-79:

СЧ 10, … СЧ20, … СЧ35, СЧ40, СЧ45, где цифра означает s_в кгс/мм² (прочность на растяжение).

Ответственные детали (коленчатые валы, зубчатые колеса) отливают из высокопрочных конструкционных чугунов, которые получают за счет модифицирования жидкого чугуна магнием, церием и др. При этом углерод, выделившийся от распада цементита, собирается в отдельных местах структуры в виде шаров неправильной формы (глобулей). Такие чугуны являются полноценными заменителями стали, а при работе при переменных циклических нагрузках иногда даже превосходят её.

Марки высокопрочных чугунов по ГОСТ 7293-85:

ВЧ 35, ВЧ40, … ВЧ 50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100,

где цифра соответствует s_в, кгс/мм².

Классификация конструкционных чугунов в порядке наибольшего применения выглядит так:

отливки из серого чугуна – 90…95 %;

из ковкого чугуна – 5 – 8 %;

из высокопрочного чугуна – 2 – 4 %.

Таким образом чугуны являются главным литейным материалом нашего времени, к тому же наиболее дешевым.

 

Задание студенту

Изучить основные положения работы, ответить на контрольные вопросы, оформить отчет.

 

Содержание письменного отчета

1. Записать классификацию конструкционных чугунов.

2. Записать методы получения и применения конструкционных чугунов.

3. Рассмотреть микроструктуры четырех марок конструкционных чугунов и оформить отчет.

4. Записать выводы по работе (оценка чугунов по сравнению со сталью).

5. Заполнить таблицу по схеме:

Контрольные вопросы

1. Что такое чугуны?

1. Фазы и структурные составляющие диаграммы состояния в области чугунов, а также конструкционных чугунов при 20ºС (дать определение). Их обозначение, строение, свойства.
2. Дать общую характеристику чугунов (свойства, достоинства, недостатки).
3. Особенности строения и применение серых, ковких, высокопрочных чугунов.
4. Назвать марки серых, ковких, высокопрочных чугунов и дать их расшифровку.
5. Белые чугуны: указать особенности, достоинства, недостатки, почему применяются редко.
6. Как получают отливки из ковкого и высокопрочного чугунов?

Литература

1. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1987.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1979.

3. Мозберг Р.К. Материаловедение. Таллин: Валдус, 1976.

 

Лабораторная работа № 7