Материаловедение лабораторная работа №2 "изучение микроструктуры, свойств и области применения чугунов"

Практические и лабораторные работы по предмету ОП.02 «Материаловедение»

Группа № 1-3ф. Профессия «Слесарь по ремонту строительных машин»

Мастер производственного обучения: Тарапунов Вячеслав Викторович

Лабораторная работа № 2:

Изучение микроструктуры, свойств и области применения чугунов

Цель работы

Изучить равновесную структуру чугунов, установить взаимосвязь между структурой, свойствами, применением чугунов. Привить навыки оценки свойств конструкционных материалов.

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с основными сведениями по теме работы – приложение 1.

2. На лабораторную работу отводится два академических часа. Первый час производится изучение микроструктуры и свойств чугунов. Во второй час составляется отчет о лабораторной работе, который должен содержать результаты анализа микроструктуры и свойств чугунов.

3. Задание:

   1. изучить микроструктуру и свойства чугунов

   2. зарисовать микроструктуры сплавов.

4. Отчет по лабораторной работе представить в виде таблицы:

1. Микроструктуры чугунов, подлежащие анализу, представлены на рисунке:

Микроструктура чугунов:

а) белый доэвтектический чугун;

б) серый перлитный чугун;

в) серый феррито-перлитный чугун;

г) серый ферритный чугун;

д) ковкий ферритный чугун;

е) высокопрочный феррито-перлитный чугун;

и) высокопрочный ферритный чугун.

1. Контрольные вопросы

1. Какие сплавы называют чугунами?

2. Как классифицируют чугуны по структуре?

3. Какие сплавы называют белыми чугунами?

4. Какие формы графита встречаются в чугунах?

5. Что такое модификатор? Для чего применяется модификатор в чугунах?

6. Как получают высокопрочные чугуны?

7. Как получают ковкие чугуны? Как маркируются чугуны?

ПРИЛОЖЕНИЕ №1. МИКРОСТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЧУГУНОВ

Железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода, называются чугунами. В зависимости от скорости охлаждения, содержания постоянно присутствующих примесей (Мn, Si, S, Р) и последующей термической обработки углерод в чугунах может находиться в виде графита различной формы (пластинчатой, хлопьевидной, шаровидной и так называемый вермикулярный графит), либо в виде цементита. В зависимости от формы выделения графита различают ковкие, высокопрочные, серые (обычные, модифицированные) чугуны.

Марганец затрудняет графитизацию и повышает способность чугуна к отбеливанию – появлению в поверхностных слоях отливок структуры белого или половинчатого чугуна. Поэтому марганца не должно быть более 1,25 %.

Кремний способствует процессу графитизации. Изменяя в чугуне содержание углерода и кремния, скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы. В серых чугунах кремния содержится в пределах 1,5 – 3,5 %.

Сера тормозит процесс графитизации, способствует выделению углерода в виде цементита и тем самым ухудшает литейные и механические свойства. Поэтому содержание серы в чугуне ограничивается 0,08 – 0,12 %.

Фосфор улучшает жидкотекучесть, но при его содержании более 0,3 % образуется тройная фосфидная эвтектика, в состав которой входит цементит. Наличие твердых участков фосфидной эвтектики повышает общую твердость, износоустойчивость чугуна и снижает пластичность.

В серых чугунах фосфора содержится 0,3 – 0,4 %.

Белые чугуны. В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии, то есть в виде цементита. В соответствии с диаграммой состояния «Fе-Fе_зС» белые чугуны классифицируют по структуре на:

• дозвтектические (менее 4,3 % С),

• эвтектические (4,3 % С),

• зазвтектические (более 4,3 % С).

Основные структурные составляющие белых чугунов – перлит, ледебурит и цементит. Доэвтектический белый чугун состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита. Такой чугун очень твердый и хрупкий: НВ 4500 Мпа, δ = 0 %. Его отжигают для получения ковкого чугуна. Эвтектический белый чугун состоит из ледебурита. Заэвтектический – из первичного цементита и ледебурита. Ледебурит очень твёрд и хрупок. Твердость ледебурита НВ = 7000 МПа. Наличие ледебурита является структурным признаком белых чугунов.

Белые чугуны из-за высокой хрупкости и твердости не используются как конструкционные материалы. Ограниченное применение находят отбеленные чугуны-отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготавливают прокатные валки, лемехи плугов, тормозные колодки и другие детали, работающие на износ.

Серые чугуны. Чугун, в структуре которого отсутствует ледебурит и свободный цементит, а часть углерода выделяется в виде графита различной формы, называется серым. Как и белый, серый чугун получается непосредственно при отливке в случае медленного охлаждения. При этом цементит, выделяющийся из жидкого или твердого раствора, распадается с образованием пластинок графита.

Серый чугун является одним из важнейших литейных машиностроительных материалов, так как характеризуется высокими литейными и удовлетворительными механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием, высокой износостойкостью и дешевизной. В марке серого чугуна (СЧ15, СЧ21, СЧ35 и др.) буквы «СЧ» означают– серый чугун, цифры – предел прочности на растяжение в кГс/мм² (килограмм силы на миллиметр в квадрате).

Структура металлической основы серого чугуна может состоять из феррита, перлита, смеси феррита и перлита. Структура металлической основы определяет механические свойства чугуна, такие, как предел прочности при сжатии, твердость, сопротивление износу. Они наиболее высоки у перлитного чугуна.

Графит – важнейшая фазовая и структурная составляющая серых чугунов. Он обуславливает малую усадку при кристаллизации, высокие антифрикционные свойства, малую изнашиваемость, большое внутреннее трение, обеспечивающее уменьшение вибраций и ряд других полезных свойств. Графит выделяется в виде пластин, располагающихся в форме разветвленных крабовидных включений. Пластичность, сопротивление растяжению, изгибу зависят, главным образом, от количества, формы и характера расположения графитовых включений. Чем они мельче, компактно и равномернее расположены, а их форма ближе к округлой, тем указанные свойства будут выше. Повысить прочность серых чугунов можно модифицированием – введением в расплав порошка ферросилиция или силикокальция (0,3 – 0,6 % от массы шихты), частицы которого являются центрами кристаллизации графитовых включений. Марки серых модифицированных чугунов – СЧ30, СЧ35. Ковкий чугун – это чугун с хлопьевидной формой графита. По сравнению с пластинчатым графитом хлопьевидный графит располагается в металлической основе чугуна более компактно, включения графита не действуют как острые надрезы, поэтому такие включения в меньшей степени ослабляют металлическую основу. Получают ковкий чугун путем графитизирующего отжига белого чугуна. При отжиге цементит белого чугуна распадается, углерод выделяется в виде графита в форме хлопьевидных гнездообразных включений. Такой чугун хорошо сопротивляется изгибу и удару. Получение определенной металлической основы ковкого чугуна (ферритная, феррито-перлитная) обеспечивается специальным режимом отжига. Наиболее пластичны ферритные ковкие чугуны (КЧ30-6, КЧ35-10 и др.). Лучшая износостойкость – у перлитных чугунов (КЧ60-3, КЧ70-2 и др.), благодаря высокой твердости и прочности. Ковкий чугун находит широкое применение в машиностроении как хороший конструкционный материал для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Недостаток ковких чугунов по сравнению с другими – повышенная стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига.

В марке ковкого чугуна (КЧ30-6, КЧ35-10 и др.) буквы «КЧ» означают ковкий чугун, первые цифры – предел прочности на растяжение в кГс/мм², вторые – относительное удлинение, %.

Высокопрочный чугун получается путем добавки в жидкий расплав перед разливкой небольших количеств магния (модификатора II рода). Модификатор изменяет условия кристаллизации, приводит к образованию графита шаровидной формы. Шаровидный графит – менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый, поэтому он меньше снижает механические свойства металлической основы. Металлическая основа может состоять из феррита (ВЧ35, ВЧ40), перлита и феррита (ВЧ45. ВЧ50, ВЧ60), перлита (ВЧ80, ВЧ100). Высокопрочный чугун отличается высокой износостойкостью, антифрикционными и литейными свойствами, способностью гасить вибрации (демпфирующая способность), легко обрабатывается резанием.

В марке высокопрочного чугуна (ВЧ40, ВЧ45, ВЧ60 и др.) буквы «ВЧ» означают - высокопрочный чугун, цифры - предел прочности на растяжение в кГс/мм².