Стативко А.А., Шопина Е.В., Кунин А.С.

Стативко А.А., Шопина Е.В., Кунин А.С.

С 78	Материаловедение: Учеб. пособие / А.А. Стативко, Е.В. Шопина, А.С. Кунин. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2010. – 72 с.

 

Пособие содержит описание лабораторных работ по курсу «Материаловедение». В теоретических сведениях рассмотрены свойства металлов, современные методы испытаний, процессы пластической деформации и рекристаллизации. Описана диаграмма состояния Fe-Fe₃C. Большое внимание уделено теории и технологии термической обработки. Рассмотрены основные классы сталей и чугунов.

Учебное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения с применением дистанционных технологий специальности 270101 – Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций.

 

УДК 620.22 (075)

ББК 30.3я7

 

ÓБелгородский государственный

технологический университет

(БГТУ им В.Г. Шухова), 2010

Содержание

 

Лабораторная работа №1………………………………………………4

 

Лабораторная работа №2………………………………………………16

 

Лабораторная работа №3………………………………………………24

 

Лабораторная работа №4………………………………………………37

 

Лабораторная работа №5………………………………………………45

 

Лабораторная работа №6………………………………………………56

 

Контрольные тесты…………………………………………………….70

 

Библиографический список……………………………………………83

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Измерение твердости металлов

 

Цель работы: изучить устройство приборов для определения твердости металлов, научиться пользоваться приборами по измерению твердости металлов.

Приборы и оборудование: пресс Бринелля, пресс Роквелла, отсчетный микроскоп для определения диаметра отпечатка, образцы сталей, чугунов и цветных металлов.

Краткие сведения из теории

Определение твердости является широко распространенным способом испытаний для характеристики механических свойств металлов. В настоящее время существует несколько методов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника: метод вдавливания, метод отскакивания, метод царапания. Наибольшее применение получил метод вдавливания.

Под твердостью металла при вдавливании понимается его сопротивление местной пластической деформации при контактном приложении нагрузки.

Наиболее широкое распространение в машиностроительной промышленности получили методы Бринелля, Роквелла и Викерса, благодаря их простоте и возможности производить испытания деталей без разрушения.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Изучить принципиальное устройство приборов для определения твердости металлов: пресс Бринелля и пресс Роквелла.

2. Изучить порядок проведения замеров.

3. Произвести замеры твердости образцов на изученных приборах.

4. Оформить протоколы замеров.

Контрольные вопросы.

1. Что такое твердость?

2. Методы определения твердости.

3. Сущность определения твердости по Бринеллю.

4. Режимы для определения твердости по Бринеллю.

5. Недостатки измерения твердости по Бринеллю.

6. Сущность определения твердости по Роквеллу.

7. Выбор шкалы, величины общей нагрузки и геометрической формы наконечника по Роквеллу.

8. Единицы измерения твердости по Бринеллю.

Приложение 1

Таблица сопоставления чисел твердости, определяемых различными методами

 

По Роквеллу	По Бринелю НВ	По Роквеллу	По Бри нелю НВ	По Роквеллу	По Бринелю НВ
HRC	HRA	HRB	HRC	HRA	HRB	HRC	HRA	HRB
		-				-		-	-
		-				-		-	-
		-				-		-	-
		-				-		-	-
		-				-		-	-
		-				-		-	-
	-	-				-		-	-
		-				-		-	-
	-	-				-		-	-
		-				-		-	-
	-	-						-	-
		-						-	-
	-	-						-	-
		-						-	-
		-						-	-	-
	-	-						-	-	-
		-						-	-	-
	-	-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
	-	-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
	-	-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
	-	-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
	-	-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
		-		-				-	-	-
		-		-	-			-	-	-
		-		-	-			-	-	-
		-		-	-			-	-	-

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства стали

 

Цель работы: а) изучить влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства (твердость) малоуглеродистой стали; б) изучить влияние температуры нагрева на структуру и свойства (твердость) холоднодеформированной малоуглеродистой стали.

Приборы и оборудование: набор готовых микрошлифов, твердомеры, штангенциркуль.

 

Порядок выполнения работы

 

В данной работе студенты знакомятся с изменением формы, размеров зерен и твердости металла, подвергнутого холодной пластической деформации и рекристаллизационному отжигу.

При выполнении работы необходимо выполнить следующее.

1. Привести краткое изложение основных теоретических положений.

2. По образцам лабораторной коллекции изучить, зарисовать в табл. 4 и объяснить микроструктуру недеформированной части образца и частей образцов, подвергнутых холодной пластической деформации различной степени (рис. 10) и установить зависимость твердости поверхностей образца от степени пластической деформации.

 

 

Рис. 10. Образец, подвергнутый холодной пластической деформации разной степени

 

Степень холодной пластической деформации подсчитывается в процентах как отношение

 

 

где h ₀ – толщина образца до холодной пластической деформации, мм;

h _i – толщина образца после холодной пластической деформации, мм;

Результаты записать в табл. 4.

 

Таблица 4

Степень пластической деформации ε, %	Твердость HRC	Микроструктура

 

3. По данным табл. 4 построить график HRС = f (ε). Сделать вывод.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Вопросы для повторения раздела

1. Какие фазы образуются в системе Fe-Fe₃C?

2. Укажите изотермические реакции, происходящие при охлаждении на линиях HIB, ECF, PSK.

3. Постройте кривую охлаждения и опишите превращения, происходящие в доэвтектоидной стали и заэвтектическом чугуне.

4. Как структурный и фазовый состав стали у чугуна зависят от содержания углерода и температуры?

5. Определите содержание углерода в структурных составляющих сплава, содержащего 1,3% С, при температуре 800°С.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Равновесном состоянии

Цель работы: изучение микроструктуры углеродистых сталей в равновесном состоянии, определение марки сталей, установление связи между структурой стали, диаграммой состояния Fe-Fe₃C и свойствами сталей.

Оборудование и материалы: набор микрошлифов в лабораторной коллекции отожженных углеродистых сталей, металлографические микроскопы, твердомеры Роквелла.

 

Равновесное состояние сплава достигается при очень медленном охлаждении, при котором все фазовые превращения закончились и описываются соответствующей диаграммой равновесия.

Равновесные структуры сталей и превращения в них описываются диаграммой состояния «железо-цементит». Допустимо считать, что равновесные структуры в сталях формируются при охлаждении вместе с выключенной печью (рис. 14).

В сплавах железа с углеродом существуют следующие фазы.

Жидкость(жидкий раствор углерода в железе), существующая выше линии ликвидуса.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe₃C. В цементе содержится 6,67% С, он имеет сложную ромбическую решетку. Цементит тверд (НВ 800) и хрупок (d = 0), прочность его на растяжение очень мала (d_в = 40 МПА), t _пл = 1250°С. Цементит – фаза метастабильная (временно устойчивая), при t > 950°С за несколько часов распадается не железо и графит.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в g-железе. Кристаллическая решетка – гранецентрированная кубическая (ГЦК). Максимальная растворимость углерода в нем 2,14% при t = 1147°С. Аустенит немагнитен.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в a-железе. Кристаллическая решетка – объемно-центрированная кубическая. Максимальная растворимость углерода в нем 0,02% при t = 727°С. Феррит мягок и пластичен. При комнатной температуре феррит имеет s_в = 250 МПа; НВ 60–90 (600–900 МПа); s_т = 120 МПа; d = 40–50%;

j = 75%.

Перлит (П) – механическая смесь (эвтектоидная) феррита и цементита. Перлит содержит 0,8% углерода и образуется при t = 727°С в результате распада аустенита по эвтектоидной реакции

 

В зависимости от формы частичек цементита перлит бывает пластинчатым и зернистым. Пластинчатый перлит имеет s_в = 800 МПа; НВ 230; d_в = 9–12%; у зернистого перлита s_в = 700 МПа; НВ 190;

d_в = 18 – 25%.

 

 

Рис. 14. Диаграмма состояния «железо-цементит»

 

Сплавы с содержанием углерода от 0,02 до 2,14% являются сталями.

Сплавы с содержанием углерода менее 0,02% являются техническим железом. Техническое железо, как видно из диаграммы состояния Fe-Fe₃C может быть однофазным (Ф) или двухфазным (Ф+Ц_III). Цементит третичный (Ц_III) располагается в виде тонких включений по границам зерен феррита (рис. 15).

Стали в равновесном (отожженном) состоянии подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидную и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02% до 0,8% углерода. Структура их состоит из феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна). С увеличением содержания углерода увеличивается количество зерен перлита, а феррита уменьшается (см. рис. 15).

Эвтектоидная сталь содержит 0,8% углерода. Структура ее состоит только из перлита (П). Строение перлита различимо при относительно больших увеличениях (×600). При полировке и травлении шлифа на его поверхности создается рельефность. Твердые, малотравящиеся пластинки цементита выступают над ферритными и затеняют их и, кроме того, из-за повышенной травимости феррита, он выглядит тусклым темным (см. рис. 15).

Заэвтектоидные стали содержат от 0,8 до 2,14% углерода. Структура их состоит из перлита и цементита вторичного (П + Ц_П).

Цементит вторичный, выделяясь из аустенита при медленном охлаждении, образуется более или менее сплошную сетку, располагающуюся по границам перлитных участков. Толщина сетки увеличивается с повышением содержания углерода в стали (см. рис. 15).

 

Рис. 15. Микроструктуры сталей с различным содержанием углерода:

1 – сталь Ст3 (0,17% С), 2 – сталь 35 (0,35% С), 3 – сталь У8 (0,8% С),

4 – сталь У10 (1% С)

Свойства углеродистых сталей зависят от содержания в ней углерода. По мере увеличения содержания углерода возрастает массовая доля цементита в сталях и уменьшается доля феррита. Это приводит к повышению твердости и прочности стали, но снижает ее пластичность (рис. 16).

 

 

Рис. 16. Зависимость механических свойств стали от содержания в ней углерода

 

Изменяются физические и технологические свойства. К технологическим свойствам сталей относятся свариваемость, обрабатываемость резанием и давлением, стойкость к изнашиванию, восприимчивость к закалке, стойкость к отпуску и др.

Например, стали с содержанием углерода до 0,37% хорошо свариваются, при повышении содержания углерода свариваемость ухудшается. Стойкость сталей к изнашиванию, наоборот, возрастает при увеличении содержания углерода.

По структуре стали, находящейся в равновесном состоянии с помощью микроскопа можно определить содержание в ней углерода. Практически весь углерод стали находится в перлите, в феррите при комнатной температуре углерода очень мало (10–7%). Определяется площадь поверхности микрошлифа стали, занятая перлитом. Например, она составляет 50%. Зная, что в перлите 0,8% углерода, составляется пропорция и определяется содержание углерода:

 

100% П – 0,8% С

50% П – x % С

x = 0,8·50/100 = 0,4% С

 

По ГОСТ 1050-89 сталь содержащая 0,4% С, является качественной конструкционной марки 40.

При определении содержания углерода в заэвтектоидной стали устанавливают площади поверхности шлифа, занятых перлитом и цементитом вторичным. Затем определяется содержание углерода в перлите и цементите. Сумма полученных результатов является содержанием углерода.

Углеродистые стали относятся к числу самых распространенных конструкционных материалов. Объем производства достигает 80% от общей выплавки стали. Достоинства этих сталей являются удовлетворительные механические свойства в сочетании с технологичностью и низкой стоимостью. К главным недостаткам углеродистых сталей относятся высокая критическая скорость закалки, небольшая прокаливаемость (до 15 мм), невысокая стойкость к отпуску.

Учитывая свойства сталей и требования к ним, углеродистые стали по назначению делятся на

- строительные, содержащие до 0,37% С;

- машиностроительные или конструкционные, содержащие до 0,85% С, которые в зависимости от окончательной термической обработки подразделяются на цементуемые (0,3%), улучшаемые (0,3–0,5%) и средне-отпущенные или рессорно-пружинные (0,5–0,85%);

- инструментальные углеродистые стали, содержащие от 0,7 до 1,3% С.

В значительной степени свойства углеродистых сталей, а, следовательно, и области их применения зависят от содержания в них вредных примесей серы, фосфора, неметаллических включений, газов. Чем меньше их в стали, тем выше ее качество. Соответственно углеродистые стали делятся на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-2005) содержат значительное количество вредных примесей, до 0,07% фосфора, 0,06% серы. Содержание углерода в них 0,06–0,49, в равновесном состоянии они имеют феррито-перлитную структуру. Стали обыкновенного качества выпускают преимущественно в виде различных профилей, листов, проволоки.

Маркируются стали обыкновенного качества буквами «Ст» и цифрами, показывающими условный номер марки. Чем больше условный номер стали, тем больше содержание углерода и перлита в ней и тем выше ее прочность.

Углеродистую сталь обыкновенного качества изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3кп, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.

Углеродистые стали обыкновенного качества применяются для изготовления ненагруженных деталей машин и механизмов, крепежных деталей. Стали Ст5 и Ст6 предназначены для изготовления рельсов, железнодорожных колес, валов, шкивов и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин.

Буквы кп, пс, сп, стоящие за цифрой указывают степень раскисления стали (кипящая, полуспокойная, спокойная). Из спокойной стали наиболее полно удален кислород, они надежно эксплуатируются при температурах до –50°С.

Стали качественные конструкционные (ГОСТ 1050-89) содержат не более 0,035% фосфора, не более 0,04% серы. Углерода в них 0,05–0,85%. Выпускаются следующие марки: 05кп, 08кп,08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 15кп, 15пс, 15, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85.

Двузначные числа в марке показывают содержание углерода в сотых долях процента. По содержанию углерода их подразделяют на малоуглеродистые (0,05–0,25%С), среднеуглеродистые (0,25–0,6%), высокоуглеродистые (0,6–0,85%). Стали 05кп, 08кп, 08, 10 идут на изготовление деталей сложной конфигурации методом холодной штамповки (кузова автомобилей, корпуса, кожухи, резервуары, емкости, трубы средней прочности и др.). Из сталей 15, 15кп, 20 изготавливают болты, гайки, винты, шпильки, пальцы, оси, крюки и другие детали неответственного назначения. Часто детали из этих сталей подвергают поверхностному упрочнению цементацией или цианированием. Стали 30, 35, 40, 45 используются для изготовления осей, коленчатых валов, шатунов, втулок, винтов, шайб и др. Стали с повышенным содержанием углерода и марганца (65, 70, 80, 60Г, 65Г, 70Г) применяются в качестве рессорно-пружинных. Из стали 75 изготавливают крановые колеса, из стали 85 впускные клапаны компрессоров.

Для изготовления обработкой резанием на станках-автоматах деталей массового производства (винты, гайки, болты, шпильки, зубчатые колеса) применяют стали с повышенным содержанием серы (до 0,3%), фосфора (до 0,16%) и часто марганца (до 1,5%). Такие стали называются автоматными. Они хорошо обрабатываются резанием вследствие образования ломкой и мелкой стружки. В соответствии с ГОСТ 1414-75 автоматные стали маркируют А11, А12, А20, А30, А40Г. в обозначении марки буква А указывает, что сталь автоматная, цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Улучшение обрабатываемости резанием достигается введением в сталь свинца (АС11, АС40).

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-74) выпускаются качественными (У7–У13) или высококачественными (У7А–У13А, содержание серы не более 0,02%, фосфора < 0,03%). В марке буква У показывает, что сталь углеродистая инструментальная, а цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента, буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная.

Наиболее пластичные из названных сталей (доэвтектоидная У7, У7А, эвтектоидная У8, У8А) идут на производство молотков, стамесок, зубил, штампов и прочего инструмента, работающего в условиях ударных нагрузок.

Из сталей У10, У11, У11А изготавливают резцы, сверла, метчики, фрезы и прочий мерительный и режущий инструмент для резания дерева, мягких материалов, из сталей У12, У13, У13А – твердый, работающий без ударных нагрузок инструмент (напильники, рашпили, бритвы).

Порядок выполнения работы

 

1. Начертить область диаграммы состояния системы Fe-Fe₃C, соответствующую сталям.

2. На диаграмме состояния Fe-Fe₃C провести вертикальные линии, соответствующие рассматриваемым сплавам и дать описание процессов превращений при охлаждении.

3. Изучить и зарисовать микроструктуру доэвтектоидных, эвтектоидной и заэвтектоидных сталей. Микроструктуры зарисовать в кругах диаметром 30–40 мм или в квадратах 40´40 мм. Нет надобности передавать фотографически точное изображение. При зарисовке необходимо уловить характерные особенности структуры (например, зерна пластинчатого перлита штрихуются в разных направлениях, а структура феррита изображается только границами зерен). Под каждой зарисованной микроструктурой указать наименование сплава, указать фазы и структурные составляющие, увеличение.

4. Определить количество углерода в заданной стали и определить ее марку.

5. Определить твердость исследуемых деталей (не менее трех) на приборе Роквелла и построить графики зависимости твердости от количества углерода. Сделать выводы.

6. Написать отчет по работе в соответствии с вышеуказанными пунктами.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какие сплавы называются сталями?

2. Как классифицируются углеродистые стали по структуре?

3. Какие фазы и структурные составляющие имеются в углеродистых сталях?

4. Как изменяются механические свойства углеродистых сталей по мере увеличения содержания углерода?

5. Как определяется содержание углерода в сталях по микроструктуре?

6. Как классифицируются стали по назначению?

7. Какие вредные примеси влияют на качество стали?

8. Как маркируются стали обыкновенного качества, их применение?

9. Как маркируются стали качественные конструкционные, их применение?

10. Как маркируются углеродистые инструментальные стали, их применение?

11. Какие стали называются автоматными, их маркировка и применение?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Белые чугуны

Белым называется чугун, в котором весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита Fe₃C, который придает излому чугуна белый блестящий цвет.

Фазовые превращения в этих чугунах протекают согласно метастабильной диаграмме Fе-Fe₃С (см. рис. 14). По структуре белые чугуны делятся на следующие виды.

а) Доэвтектические, содержащие от 2,14 до 4,3% С. Они состоят из перлита, ледебурита и вторичного цементита, выделяющегося из зерен аустенита в интервале температур от 1147°С (линия ЕС) до 727°С (линия SК). Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита и может быть не виден на микрошлифе как самостоятельная структурная составляющая (рис. 17, а);

б) Эвтектические, содержащие 4,3% С. Они состоят из эвтектики – ледебурита, представляющего собой механическую смесь цементита и перлита (рис. 17, б);

в) Заэвтектические, содержащие от 4,3 до 6,67%С. Они состоят из первичного цементита, выделяющегося в виде крупных пластин и ледебурита (рис. 17, в).

 

а) б) в)

 

Рис. 17. Структура белого чугуна:

а – доэвтектического, б – эвтектического, в – заэвтектического

 

В микроструктуре белого чугуна содержится много цементита, поэтому он очень тверд и хрупок, но хорошо сопротивляется износу. Он почти не поддается обработке резанием (за исключением абразивного), поэтому белые чугуны не находят непосредственного применения в машиностроении, их используют редко, только для изготовления деталей, работающих в условиях повышенного абразивного изнашивания (детали гидромашин, пескометов и др.). Будучи главным продуктом доменной плавки, этот чугун используется вметаллургии для передела в сталь (передельный чугун). В незначительном количестве белый чугун применяется также для получения ковкого чугуна.

 

Серые чугуны

Серым называется чугун, в котором углерод находится в виде графита, имеющего форму слегка изогнутых пластин или чешуек, или разветвленных розеток с пластинчатыми лепестками. Вследствие большого количества графита в структуре такой чугун в изломе имеет серый цвет.

Содержание углерода в серых чугунах обычно колеблется в пределах 2,5...4%, при этом до 0,83% углерода находится в химически связанном с железом состоянии. Серый чугун помимо железа и углерода содержит также кремний, марганец, серу, фосфор и т.д.

Кремний способствует процессу графитизации, уменьшает усадку, кремний входит в состав феррита, образуя с α-железом твердый раствор замещения.

Марганец увеличивает склонность чугуна к сохранению цементита, а, следовательно, и увеличивает твердость чугуна.

Сера – вредная примесь чугунов, она повышает их твердость и хрупкость в 5–6 раз больше, чем Mn и значительно ухудшает литейные свойства.

Фосфор в небольших количествах в чугунах является полезной примесью (в отличие от сталей), улучшает литейные свойства серого чугуна, так как фосфор образует эвтектику Fe + Fe₂P, плавящуюся при температуре 983°С, что ценно для производства тонкостенного литья. Химический состав серых чугунов: 2,5…4% С; 1,0…4,8% Si; 0,5…0,7% Mn; до 0,12% S; 0,2…0,5% P.

По структуре металлической основы серые чугуны подразделяют в основном на следующие группы:

1. Перлитные. Структура П + ПГ (пластинчатый графит), металлическая основа – П, а количество связанного углерода (Fe₃C) равно эвтектоидной концентрации 0,8% (рис. 18, а).

2. Ферритно-перлитные. Структура Ф + П + ПГ, металлическая основа их состоит из Ф + П, а количество Fe₃C меньше эвтектоидной концентрации (рис. 18, б).

3. Ферритные. Структура Ф + ПГ. Основа их состоит из Ф, а Fe₃C = 0 (рис. 16, в).

 

а) б) в)

 

Рис. 18. Структура серого чугуна:

а – перлитного, б – ферритно-перлитного, в – ферритного

 

Механические свойства чугуна зависит от свойства металлической основы, количества и размеров графитных включений. При конструировании деталей машин следует учитывать, что серые чугуны работают на сжатие лучше, чем на растяжение. Они мало чувствительны к надрезам при циклическом нагружении, хорошо поглощают колебания при вибрациях, обладают высокими антифрикционными свойствами из-за смазывающей способности графита. Серые чугуны хорошо обрабатываются резанием, дешевы и просты в изготовлении. Наряду с этими положительными свойствами они имеют сравнительно невысокую прочность и чрезвычайно низкую пластичность.

Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры, показывающей уменьшенное в 10 раз значение (в мегапаскалях) временного сопротивления при растяжении (табл. 5).

Прочность чугуна существенно зависит от толщины стенки отливки. Указанное в марке значение σ_в соответствует отливкам с толщиной стенки 15 мм. При увеличении толщины стенки от 15 до 150 мм прочность и твердость чугуна уменьшаются почти в два раза.

Графит, ухудшая механические свойства, в то же время придает чугунам ряд ценных свойств. Он измельчает стружку при обработке резанием, оказывает смягчающее действие и, следовательно, повышает износостойкость чугунов, придает им демпфирующую способность. Кроме того, пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность чугунов к дефектам поверхности. Благодаря этому сопротивления усталости чугунных и стальных деталей соизмеримы.

Согласно ГОСТ 1412-85 отливки изготавливают из серого чугуна следующих марок: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35. Цифры в обозначении марки соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении (σ_в, кгс/мм²). Чугун СЧ10 – ферритный, а начиная с СЧ25 и более – перлитные, промежуточные – ферритно-перлитные.

Из ферритных чугунов изготавливают в основном неответственные детали, к которым предъявляются главным образом требования хорошей обрабатываемости резанием, а не прочности, например, плиты, грузы, корыта, крышки, кожухи и др.

Из ферритно-перлитных чугунов в автомобилестроении изготавливают картеры, тормозные барабаны, крышки, поршни, поршневые кольца, крупные шкивы, зубчатые колеса и др.

Из перлитных – блоки цилиндров, гильзы, маховики и др. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салазки, шпиндельные бабки, колонки, каретки и т.д.). К износостойким относится отбеленный серый чугун (ОЧ), имеющий тонкий поверхностный слой со структурой белого чугуна. Применяется для изготовления отливок прокатных валков, вагонных колёс и т.д.

 

Ковкие чугуны

 

Название «ковкий чугун» является условным, поскольку изделия из него, как и из любого другого чугуна изготавливают не ковкой, а литьем. Название «ковкий» этот чугун получил вследствие более высоких, по сравнению с серыми чугунами пластических свойств.

Принципиальная схема технологии получения деталей из ковкого чугуна состоит из двух операций. Сначала путем отливки из белого доэвтектического чугуна получают детали (рекомендуемый химический состав заливаемого в формы сплава: 2,4...2,9% С; 1,0...1,6% Si; 0,3...1,0% Мn; ≤ 0,1% S; ≤ 0,2% Р, затем полученные отливки подвергают специальному графитизирующему отжигу (томлению). Отжиг состоит обычно из двух стадий (рис. 19).

Вначале отливки из белого чугуна (чаще упакованные в ящики с песком) медленно нагревают в течение 20...25 ч до температуры 950...1050°С. И при этой же температуре длительно их выдерживают (в течение 10...15 ч). В этот период протекает первая стадия графитизации, т.е. распад цементита, входящего в состав ледебурита (А + Fe₃С), и установление стабильного равновесия аустенит + графит.

В результате распада цементита образуется хлопьевидный графит (углерод отжига).

Металлическая основа чугуна формируется на второй стадии отжига при эвтектоидном превращении. В случае непрерывного охлаждения отливки (на воздухе) в области эвтектоидной (727°С) температуры аустенит распадается на перлит и процесс графитизации не успеет охватить цементит перлита. Чугун принимает структуру: перлит пластинчатый + хлопьевидный графит (ХГ) Он обладает высокими твердостью, прочностью и небольшой пластичностью (НВ 235...305, σ_в = 650...680 МПа, δ = 3,0...15%). Для повышения пластичности при сохранении достаточно высокой прочности проводится непродолжительная (2...4 ч) изотермическая выдержка чугуна или замедленное охлаждение при температурах 690...650°С. Это вторая стадия отжига, представляющая собой в данном случае отжиг на зернистый перлит.

В машиностроении широко применяется ферритный ковкий чугун, характеризующийся высокой пластичностью (δ = 10...12%) и относительно низкой прочностью (σ_в = 370...300 МПа). Ферритная основа чугуна образуется при очень медленном прохождении интервала 760...720°С или в процессе изотермической выдержки при 720...700°С. Здесь аустенит и цементит, в том числе и цементит перлита, если перлит успел образоваться, распадается на феррит + хлопьевидный графит. Хлопьевидная форма графита является основной причиной более высокой прочности и пластичности ковкого чугуне по сравнению с серым чугуном (см. табл. 5).

Продолжительность отжига в целом составляет 48...96 ч (длительность второй стадии примерно в 1,5 раза больше, чем первой). Для сокращения продолжительности отжига в расплав перед его разливкой по формам вводится (модифицируют) алюминий (реже бор, висмут и др.), что создает дополнительные искусственные центры образования графита. Согласно ГОСТ 1215-79 выпускают следующие марки ковких чугунов КЧ30-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1,5. Первые две цифры соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении (σ_в, кгс/мм²); цифры после тире – относительное удлинение (δ, %)

 

 

Рис. 19. График отжига белого чугуна на ковкий

 

Ковкие чугуны применяются для деталей, работающих при ударных вибрационных нагрузках (ступицы, тормозные колодки, коленчатые валы, крюки, картеры редукторов и др.).

Основным недостатком получения КЧ является длительный отжиг отливок и ограничение толщины их стенок (до 50 мм). В массивных деталях в результате замедленного охлаждения при кристаллизации возникает пластинчатый графит (вместо хлопьевидного), который снижает прочность и пластичность чугуна.

 

Высокопрочные чугуны

 

Высокопрочный чугун получают при модифицировании (микролегировании жидкого чугуна магнием (0,1...0,5%) или церием (0,2...0,3%). При этом под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Микроструктура модифицированного чугуна на ферритной, перлитной, ферритно-перлитной основе приведена на рис. 20, а, б, в.

 

а) б) в)

 

Рис. 20. Структура высокопрочного чугуна:

а – ферритного, б – перлитного, в – ферритно-перлитного

 

Основной причиной высоких механических свойств высокопрочного чугуна (см. табл. 5) является шаровидная форма графита. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, чем пластинчатый графит. В отличие от последнего он не является активным концентратором напряжений.

Согласно ГОСТ 7293-85, отливки изготавливают из высокопрочного чугуна следующих марок: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100 (цифры в обозначении соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении σ_в, кгс/мм²)

Высокопрочный чугун имеет высокие механические характеристики, обладает хорошими литейными и технологическими свойствами. Он применяется как новый материал и как заменитель стали, ковкого и серого чугуна с пластинчатым графитом. По сравнению со сталью обладает большей износостойкостью, лучшими антифрикционными и антикоррозионными свойствами, лучшей обрабатываемостью резанием, Вследствие меньшей плотности отливки легче стальных на 8...10%. Из высокопрочного чугуна, в отличие от ковкого, можно отливать детали любого сечения, массы и размеров.