Твердость металлов

 

Эвтектический белый чугун при комнатной  температуре состоит из одной  структурной составляющей – ледебурита. Последний, в свою очередь, состоит  из перлита и цементита и называется ледебуритом превращенным.

 

В заэвтектических  белых чугунах из жидкости кристаллизуется  первичный цементит в виде плоских  игл, затем образуется ледебурит.

 

 

Рис. 2. Микроструктура белых чугунов (слева схематическое  изображение):  
а) доэвтектический; б) эвтектический; в) заэвтектический

 

При комнатной  температуре эаэвтектический белый  чугун содержит две структурные  составляющие: первичный цементит и  ледебурит. 
Фазовый состав белых чугунов при комнатной температуре такой же, как в углеродистых сталях в равновесном состоянии, все они состоят из феррита и цементита.

 

Графитизированные чугуны.

 

В зависимости  от формы графитных включений  различают серые, высокопрочные, ковкие чугуны и чугуны с вермикулярным  графитом.

 

Серые чугуны получают при меньшей скорости охлаждения отливок, чем белые. Они содержат 1 – 3 %Si – обладающего сильным графитизирующим действием.

 

Серый чугун  широко применяется в машиностроении. Он хорошо обрабатывается режущим инструментом. Из него производят станины станков, блоки цилиндров, фундаментные рамы, цилиндровые втулки, поршни и т.д.

 

Серые чугуны маркируются  буквами СЧ и далее следует  величина предела прочности при  растяжении (в кгс/мм²), например СЧ 15, CЧ 20, СЧ 35 (ГОСТ 1412-85).

 

Графит в  сером чугуне наблюдается в виде темных включении на светлом фоне нетравленного шлифа. По нетравленному шлифу оценивают форму и дисперсность графита, от которых в сильной степени зависят механические свойства серого чугуна.

 

Серые чугуны подразделяют по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации. Степень или полноту графитизации оценивают по количеству свободно выделившегося (несвязанного) углерода.

 

Полнота графитизации зависит от многих факторов, из которых  главными являются скорость охлаждения и состав сплава. При быстром охлаждении кинетически более выгодно образование цементита, а не графита. Чем медленнее охлаждение, тем больше степень графитизации. Кремний действует в ту же сторону, что и замедление охлаждения, т.е. способствует графитизации, а марганец – карбидообразующий элемент – затрудняет графитизацию.

 

Если графитизация в твердом состоянии прошла полностью, то чугун содержит две структурные  составляющие – графит и феррит. Такой сплав называется серым  чугуном на ферритной основе (рис. За). Если же эвтектоидный распад аустенита  прошел в соответствии с метастабильной системой

эвтектоид (перлит)

 

то структура  чугуна состоит из графита и перлита. Такой сплав называют серым чугуном  на перлитной основе. Наконец, возможен промежуточный вариант, когда аустенит частично распадается по эвтектоидной реакции на феррит и графит, а частично с образованием перлита. В этом случае чугун содержит три структурные – графит, феррит и перлит. Такой сплав называют серым чугуном на феррито-перлитной основе.

 

Феррит и  перлит в металлической основе чугуна имеют те же микроструктурные признаки, что и в сталях. Серые чугуны содержат повышенное количество фосфора, увеличивающего жидкотекучесть и дающего тройную эвтектику.

 

В металлической  основе серого чугуна фосфидная эвтектика  обнаруживается в виде светлых, хорошо очерченных участков.

 

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом получают модифицированием серого чугуна щелочно-земельными элементами. Чаще для этого используют магний, вводя его в жидкий расплав в количестве 0,02 – 0,03 %. Под действием магния графит кристаллизуется в шаровидной форме (рис.3б). Шаровидные включения графита в металлической матрице не являются такими сильными концентраторами напряжений, как пластинки графита в сером чугуне. Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали.

 

Маркируют высокопрочный  чугун буквами ВЧ и далее следуют  величины предела прочности при  растяжении (в кгс/мм²) ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 80 (ГОСТ 7293-85). Так же, как и серые чугуны, они подразделяются по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации и бывают на ферритной, феррито-перлитной, перлитной основах. Высокопрочный чугун используется во многих областях техники взамен литой и кованой стали, серого и ковкого чугунов. Высокие механические свойства дают возможность широко применять его для производства отливок ответственного назначения, в том числе и в судовом машиностроении: головок цилиндров, турбокомпрессоров, напорных труб, коленчатых и распределительных валов и т.п.

 

Ковкий  чугун получают путем отжига отливок из белого чугуна. Получение ковкого чугуна основано на том, что вместо неустойчивого цементита белого чугуна при повышенных температурах образуется графит отжига белого чугуна. Мелкие изделия сложной конфигурации, отлитые из белого чугуна, отжигают (получают ковкий чугун) для придания достаточной пластичности, необходимой при их использовании в работе. Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и далее следуют величины предела прочности при растяжении (в кгс/мм²) и относительного удлинения (в %), например, КЧ 35-10, КЧ 60-3 (ГОСТ 1215-79).

 

Графитизация  идет путем растворения метастабильного  цементита в аустените и одновременного выделения из аустенита более  стабильного графита. Чем больше время выдержки при отжиге и меньше скорость охлаждения, тем полнее проходит графитизация. В зависимости от графитизации встречаются те же три основные типа структур, что и в сером чугуне с пластинчатым графитом: ковкие чугуны на ферритной, феррито-перлитной и перлитной основах (рис. Зв). От серых (литейных) чугунов ковкие чугуны отличаются по микроструктуре только формой графита.

 

Если на шлифах (рис. За) серых чугунов графит имеет  форму извилистых прожилок, то в  ковких чугунах графит, называемый углеродом отжига, находится в  форме более компактных хлопьевидных включении с рваными краями. Более компактная форма графита обеспечивает повышение механических свойств ковкого чугуна по сравнению с серым чугуном с пластинчатым графитом. Обладая механическими свойствами, близкими к литой стали и высокопрочному чугуну, высоким сопротивлением ударным нагрузкам, износостойкостью, обрабатываемостью резанием, ковкий чугун находит свое применение во многих отраслях промышленности. Из него изготавливают поршни, шестерни, шатуны, скобы, иллюминаторные кольца и др.

 

Чугуны  с вермикулярным графитом получают как и высокопрочные чугуны модифицированием, только в расплав при этом вводится меньшее количество сфероидизирующих металлов. Маркируют чугуны с вермикулярным графитом буквами ЧВГ и далее следует цифра, обозначающая величину предела прочности при растяжении ( кгс/мм²), например, ЧВГ З0, ЧВГ 45 (ГОСТ 28394-89). Вермикулярный графит подобно пластинчатому графиту виден на металлографическом шлифе в форме прожилок, но они меньшего размера, утолщенные, с округлыми краями (рис. Зг). Микроструктура металлической основы ЧВГ также как у других графитизированных чугунов может быть ферритной, перлитной и феррито-перлитной.

 

По механическим свойствам чугуны с вермикулярным  графитом превосходят серые чугуны и близки к высокопрочным чугунам, а демпфирующая способность и теплофизические свойства ЧВГ выше, чем у высокопрочных чугунов. Чугуны с вермикулярным графитом более технологичны, чем высокопрочные и соперничают с серыми чугунами. Для них характерны высокая жидкотекучесть, обрабатываемость резанием, малая усадка. Чугуны с вермикулярньм графитом широко используются в мировом и отечественном автомобилестроении, тракторостроении, судостроении, дизелестроении, энергетическом и металлургическом машиностроении для деталей, работающих при значительных механических нагрузках в условиях износа, гидрокавитации, переменном повышении температуры. Например, ЧВГ используется взамен СЧ для производства головок цилиндров крупных морских дизельных ДВС.

 

СОДЕРЖАНИЕ  ОТЧЕТА

 

1. Название работы.  
2. Цель работы.  
3. Фрагмент диаграммы Fе – Fe₃C (2,14 – 6,67 %С).  
4. Схемы микроструктур исследованных образцов c указанием их марок. 
5. Выводы.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Какие сплавы  относятся к чугунам? 
2. На какие группы подразделяют чугуны? 
3. Какую диаграмму состояния используют при анализе микроструктуры белых чугунов? 
4. Почему белый чугун имеет ограниченное использование? 
5. Что называют ледебуритом? 
6. Какой процесс протекает в белых чугунах при переохлаждении расплава ниже 1147 °С ? 
7. Сколько углерода содержится в эвтектическом белом чугуне? 
8. Сколько структурных составляющих можно увидеть при комнатной температуре в белом доэвтектическом чугуне? 
9. Сколько структурных составляющих, можно увидеть при комнатной температуре в белом эвтектическом чугуне? 
10. Сколько структурных составляющих можно увидеть при комнатной температуре в белом заэвтектическом чугуне? 
11. Каким методом получают серые чугуны? 
12. Каким методом получают ковкий чугун?  
13. Каким методом получают высокопрочный чугун?  
14. Каким методом получают чугун с вермикулярным графитом?  
15. Как маркируются чугуны?  
16. От каких факторов зависит степень графитизации?  
17. Сколько структурных составляющих содержит чугун, если графитизация в твердом состоянии прошла полностью?  
18. Чем отличаются микроструктуры графитизированных чугунов на одинаковой основе? 
19. В чем сущность эвтектического превращения в чугунах?

 

 

 

 

ПОЛНЫЙ  ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Получение навыков  выбора параметров режима и выполнения операций полного отжига и нормализации стали.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Прибор для  определения твердости, лабораторные печи, шлифовальный станок, образцы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Основное превращение, протекающее во время охлаждения при отжиге стали – эвтектоидный распад аустенита на смесь феррита  с цементитом. Кинетика эвтектоидного превращения изображается С-образными кривыми, построенными в координатах “температура – время” на диаграмме изотермического превращения аустенита (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма  изотермического распада аустенита 
для доэвтектоидной стали

При температуре 727 °C (точка А₁) аустенит находится в термодинамически устойчивом равновесии со смесью феррита и цементита. Чтобы начался распад аустенита, необходимо его переохладить ниже 727 °C. Устойчивость переохлажденного аустенита характеризуется инкубационным периодом, т.е. отрезком времени (от оси ординат до С-кривой, рис. 1), в течение которого обычные методы исследования не фиксируют появление продуктов распада.

Эвтектоидная  смесь феррита с цементитом растет от отдельных центров в виде колоний. Важнейшей характеристикой эвтектоида является дисперсность феррита и цементита внутри его колоний. Мерой этой дисперсности служит межпластинчатое расстояние D₀ (рис. 2).

Межпластинчатым расстоянием называется средняя  суммарная толщина соседних пластинок феррита и цементита.

Рис. 2. Схема  феррито-цементитной структуры.

В зависимости  от дисперсности пластин в эвтектоиде его называют перлитом, сорбитом или  трооститом. Перлит образуется при  небольших степенях переохлаждения (охлаждение с печью со скоростью в несколько градусов в минуту), и строение его можно выявить при малых и средних увеличениях микроскопа. Сорбит образуется при несколько больших степенях переохлаждения (охлаждение на воздухе со скоростью в несколько десятков градусов в минуту). Поэтому он более дисперсен, и микростроение сорбита выявляется только при больших увеличениях микроскопа.

Троостит образуется еще при больших степенях переохлаждения, и его внутреннее строение трудно выявить даже при очень больших  увеличениях светового микроскопа. С увеличением дисперсности эвтектоидной смеси возрастают твердость, предел прочности и предел текучести.

Так как подразделение  эвтектоида на перлит, сорбит и тростит  условно и между ними нет четкой границы, то их различают по твердости. Например, в стали У8 твердость перлита 170 – 230 HB, сорбита 230 – 330 HB, троостита 330 – 400 HB.

ПОЛНЫЙ ОТЖИГ

При полном отжиге доэвтектоидная сталь после нагрева  выше критической точки А_C3 на 30 – 50 °C (рис. 3) медленно охлаждается вместе с печью. Охлаждение при отжиге проводят с такой малой скоростью (порядка несколько градусов в минуту), чтобы аустенит распадался при небольшой степени переохлаждения. Так как превращение аустенита при отжиге полностью завершается при температурах значительно выше изгиба С-кривых, то отжигаемые изделия можно выдавать из печи на спокойный воздух при температурах 500 – 600 °C, если не опасны термические напряжения.

Полный отжиг  проводят для снижения твердости, повышения  пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры.

Рис. 3. Участок диаграммы Fe-Fe₃C c нанесенным интервалом  
температур термической обработки: 
І – полный отжиг; 
ІІ – нормализация

НОРМАЛИЗАЦИЯ  СТАЛИ

При нормализации сталь нагревают до температур на 30 – 50 °C выше линии GSE и охлаждают на спокойном воздухе (рис. 3). Ускоренное, по сравнению с отжигом, охлаждение обуславливает несколько большее переохлаждение аустенита. Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида. После нормализации сталь должна иметь большую прочность, чем после отжига. Нормализацию применяют чаще как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием, для устранения пороков строения и общего улучшения структуры перед закалкой. Таким образом, назначение нормализации как промежуточной обработки аналогично назначению отжига. Так как нормализация гораздо выгоднее отжига (охлаждение не с печью, а на воздухе), то ее всегда следует предпочесть отжигу, если оба эти вида обработки дают одинаковые результаты. Но нормализация не всегда может заменить отжиг как операция смягчения стали.