Залізовуглецеві сплави та їх мікроскопічне дослідження

Вступ

Прогрес в галузі машинобудування тісно пов'язаний з створенням і освоєнням нових, найбільш економічних матеріалів, в тому числі полімерних і особливо чистих, розвитком і впровадженням у виробництво новітніх методів зміцнення металів та інших промислових матеріалів, розширенням сортаменту матеріалів, які випускаються.

Вдосконалення випуску сучасних машинобудівних конструкцій, спеціальних приладів і машин неможливе без подальшого розвитку виробництва металевих сплавів – основних матеріалів у машинобудуванні. Залежно від призначення до сплавів пред'являються різні вимоги. Одні з них повинні мати високу міцність, другі – пластичність, треті – високу електропровідність або високий електричний опір, четверті – спеціальні магнітні властивості. Набуття тих чи інших властивостей визначається внутрішньою будовою сплавів. У свою чергу, будова сплаву залежить від складу і характеру попередньої обробки. Отже, між усіма цими характеристиками існують певні зв'язки: між складом і будовою (перший зв'язок), між обробкою і будовою (другий зв'язок) та між будовою і властивостями (третій зв'язок). Вивченням цих зв'язків займається матеріалознавство.

Курс „ТКМ та матеріалознавство” є однією з базових дисциплін підготовки фахівців, і метою його вивчення є набуття студентами знань, навичок та умінь щодо методів дослідження матеріалів, хімічного складу, структури, маркування та властивостей матеріалів, методів їх отримання та впливу на технологічні властивості.

Лабораторні роботи є невід’ємною частиною курсу: під час їх виконання студенти закріплюють знання, отримані при вивченні теоретичного матеріалу. Подано методику виконання лабораторних робіт, наведено зміст протоколу, контрольні питання для самоперевірки знань студентів. Перелік рекомендованої літератури та словник основних термінів допоможуть успішно опанувати матеріал розділу.

 

 

Лабораторна робота № 1

Залізовуглецеві сплави та їх мікроскопічне дослідження

Мета роботи – вивчити структурні складники вуглецевих сталей в зрівноваженому стані, встановити зв’язок між структурами сталі з діаграмою стану сплавів залізо-цементит, набути практичних навичок дослідження мікроструктури сталей.

 

Прилади та матеріали

1. Металографічний мікроскоп.

2. Зразки (шліфи) сталі для вивчення мікроструктури.

3. Марки, хімічний склад, механічні властивості технічного заліза та вуглецевих сталей за державними стандартами.

4. Атлас мікроструктур.

 

Порядок виконання роботи

1. Вивчити мікроструктуру технічного заліза (залізо Армко), сталей Сталь 10, Сталь 45, У8, У12.

2. Зарисувати та описати мікроструктуру сталей.

3. Визначити з допомогою металографічного мікроскопу та персонального комп’ютера масову частку вуглецю в доевтектоїдній та в заевтектоїдній сталі за мікроструктурою (приблизно).

4. Ознайомитися з марками, класифікацією, хімічним складом та призначенням вуглецевих сталей за державними стандартами.

5. Оформити результати дослідів та скласти протокол.

Загальні відомості

Серед металевих матеріалів у машинобудуванні найбільш широко використовуються сплави заліза з вуглецем – сталі та чавуни (90 % від загальної кількості матеріалів). Визначити структури цих сплавів у стані рівноваги, температури фазових перетворень, вибрати температуру термічної обробки дозволяє метастабільна діаграма стану “залізо-цементит” (Fe-Fе₃С) та стабільна діаграма стану “залізо-вуглець” (Fe-C).

Компоненти, фази та структурні складові

Залізовуглецевих сплавів

Компоненти –хімічні елементи, що утворюють сплав – залізо та вуглець.

Залізо –метал з температурою плавлення 1539°С. Атомний радіус 0,127 нм. Залізо поліморфне. Нижче 911°С та в інтервалі 1392...1539°С має ОЦК гратку з параметром 0,286 нм. При 20°С заповнення об'єму гратки атомами на 68%. Низькотемпературна модифікація позначається a-Fe, високотемпературна – d-Fе. В інтервалі температур 911...1392°С існує g-Fе з ГЦК граткою, параметри якої 0,3645 нм, заповнення об'єму гратки атомами на 74 %. Між атомами заліза існує металевий тип зв'язку. Нижче 768°С a-Fe – феромагнітне, g-Fе, b -Fe, d -Fe – парамагнітне.

Залізо характеризується низькими рівнями міцності, твердості та високою пластичністю (s_в = 150...200 МПа; НВ 60...70; d = 60%).

Вуглець – неметал з температурою плавлення 3600°С, атомним радіусом – 0,077нм. Має дві модифікації: стабільну – у вигляді графіту та метастабільну – у вигляді алмазу.

В Fe-C сплавах розрізняють фази: рідкий розчин (Р), ферит (Ф),аустеніт (А), цементит (Ц) і графіт (Г).

Ферит – твердий розчин впровадження атомів вуглецю в ОЦК гратці заліза. Розрізняють низькотемпературний a-ферит з граничною розчинністю вуглецю 0,02 % при 727°С та високотемпературний d-ферит (0,1%С при 1499°С). Низька розчинність вуглецю у фериті обумовлена малим радіусом порожнин в ОЦК гратці (0,037 нм). Механічні властивості фериту: s_в = 200...250 МІІа; d = 40...50 %; НВ 80...90.

Аустеніт - твердий розчин впровадження атомів вуглецю в g-Fе ГЦК гратці, радіус міжатомних порожнин дорівнює 0,052 нм. Цим обумовлена підвищена, в порівнянні з феритом, розчинність вуглецю в аустеніті – 2,14 % при 1147 °С. Аустеніт має наступні механічні властивості: s_в = 50...60 %; НВ 160...200. Фаза в'язка, парамагнітна.

Тверді розчини впровадження, крім вуглецю, можуть утворювати азот і водень (атомні радіуси 0,072 нм та 0,0056 нм. відповідно), частково бор, а тверді розчини заміщення – кремній, марганець, хром, нікель, молібден, вольфрам тощо.

Цементит – хімічна сполука Fе₃С,яка містить 6,67 %С. Гратка – складна ромбічна, характеризується металевим та іонним зв'язком між атомами вуглецю та заліза. Тому цементит має високу твердість (НВ³800), крихкість і практично нульову пластичність. Цементит – метастабільна фаза і у високовуглецевих сплавах (>2,14 %С) при дуже повільному охолодженні замість нього може утворюватися графіт.

Графіт – стабільна модифікація вуглецю, має складну гексагональну кристалічну гратку. Відстань між атомами в одному шарі складає 0,1415 нм, між шарами – значно більше – 0,34 нм. У першому випадку зв'язок реалізується за рахунок ковалентних сил, у другому – за рахунок слабких Ван-дер-ваальсовських. Густина графіту 2,26 г/см³. Твердість 3...5 НВ, значна крихкість, пластичність практично відсутня.

Ферит, аустеніт, цементит можуть існувати у сплавах в структурновільному стані або входити до складу ледебуриту чи перліту.

Ледебурит – евтектична фазова суміш цементиту та аустеніту в інтервалі температур 1147...727 °С, перліту і цементиту – при температурах нижче 727°С. Середній вміст вуглецю в ледебуриті 4,3 %. Ледебурит утворюється в залізовуглецевих сплавах, які містять більше 2,14 %С. Ледебурит містить 64 % цементиту, тому він твердий (НВ³600) та крихкий.

Перліт – евтектоїдна фазова суміш фериту і цементиту, що містить 0,8 %С. Властивості перліту залежать від дисперсності ферито-цементитної суміші та форми цементиту. Грубопластинчастий перліт має властивості: s_в = 500...600 МІІА; d = 8...15 %; 160...250 HB. Більш дисперсний перліт має більшу міцність та меншу пластичність.

 

1.3.2. Метастабільна діаграма Fе-Fе₃С

Рисунок 1.1 – Діаграма стану залізо-цементит(вуглець)

 

Складність діаграми Fе-Fе₃С (рис. 1.1) зумовлена тим, що у залізовуглецевих сплавах, окрім первинної кристалізації (Рідина ® тверда фаза) відбуваються процеси вторинної кристалізації в твердому стані, які пов'язані з поліморфними перетвореннями заліза та зменшенням розчинності вуглецю у фериті та аустеніті.

При аналізі залізовуглецевих сплавів користуються двома діаграмами стану (рис. 1.1): метастабільною, що характеризує перетворення в системі залізо-цементит (суцільні лінії) та стабільною, що характеризує перетворення в системі залізо-графіт (пунктирні лінії). Система залізо-графіт більш стабільна, ніж система залізо-цементит, тому що при нагріванні до високих температур цементит може розкластися на залізо та графіт, тобто переходить у більш стабільний стан. Ці діаграми є неповними (до 6,67 %С). Це пояснюється тим, що практичне використання мають сплави заліза з вуглецем (сталі та чавуни) з вмістом вуглецю до 5-6 %.

Точки та лінії діаграми. Точки на діаграмі визначаються температурою та концентрацією вуглецю. Точка А (1539 °С, 0 %С) – температура кристалізації (плавлення) заліза, точка D (1250 °С, 6,67 %С) – цементиту. Точки N 1392 °С, 0 %С) та G (911 °С, 0 %С) – температури поліморфного перетворення в залізі. Інші точки діаграми будуть охарактеризовані при розгляді фазових та структурних перетворень у різних сплавах.

Лінії діаграми – це геометричне місце точок, що характеризують хімічний склад фаз, які знаходяться у рівновазі, температури початку та кінця фазових перетворень. З теорії кристалізації відомо, що перехід від рідкого стану в твердий відбувається не при температурі рівноваги Т₀ для цих фаз, а при деякому переохолодженні DТ. Тому далі при розгляді перетворень, які проходять в реальних умовах при охолодженні (нагріванні), буде матися на увазі, що вони відбуваються при деякому переохолодженні (перегріванні) відносно температур рівноваги Т₀.

Первинна кристалізація. За лінією ліквідусу ABCD починається кристалізація з рідкої фази: d-фериту Ф_d (АВ), аустеніту А (ВС) та цементиту первинного Ц ₁ (СD,). Лінія АН – температурна межа двофазної зони “рідина+Ф_d”, нижче цієї лінії – однофазна зона Ф_d.HJB – лінія поліморфного перетворення за перитектичною реакцією:

При переохолодженні нижче 1499 °С внаслідок взаємодії рідини складу В (0,51 %С) з кристалами d-фериту складу точки Н (0,1 %С) утворюється аустеніт складу точки J (0,16 %C).

Лінія JE – температурна межа двофазної зони Р+A, кінець кристалізації аустеніту; нижче цієї лінії – однофазна зона аустеніту.

ЕСF – лінія евтектичного перетворення:

Вторинна кристалізація. Лінія NН га NJ – температури початку та кінця поліморфного перетворення d-фериту в аустеніт у сплавах до 0,16 % С. В сплавах з 0,16...0,51 %С це перетворення відбувається при постійній температурі 1499 °С. Лінії GS та GPS – температури початку та кінця поліморфного перетворення А®Ф, яке відбувається в інтервалі температур при безперервному охолодженні в сплавах з вмістом вуглецю до 0,8 %.

РSК – лінія поліморфного перетворення А®Ф при постійній температурі в сплавах із 0,02...6,67 %С за евтектоїдною реакцією:

При переохолодженні нижче 727 °С з аустеніту евтектоїдної концентрації (0,8 %С) утворюється перліт.

Лінії ЕS та PQ – лінії граничної розчинності вуглецю в аустеніті та фериті, відповідно. У зв'язку зі зменшенням (збільшенням) вмісту вуглецю в цих фазах при охолодженні (нагріванні) лінії ЕS та PQ відповідають початку утворення (кінцю розчинення) цементиту вторинного в аустеніті та третинного – у фериті.

Вуглецеві сталі

Сталі – сплави заліза з вуглецем, які містять до 2,14 %С. Від концентрації вуглецю в сталі залежать її структура, властивості та призначення.

Класифікація сталей за структурою в стані рівноваги. Діаграма стану Fe-Fе₃С дозволяє визначити структуру сталі в стані рівноваги, тобто після дуже повільного охолодження. На практиці структури, що близькі до рівноваги, досягаються при відпалюванні з повільним охолодженням разом з піччю. В залежності від вмісту вуглецю сталі за структурою в рівноважному (відпаленому) стані поділяються на наступні групи (див. додаток Б):

– технічне залізо – £0,02 %С. Структура – ферит або ферит з цементитом (третинним);

– доевтектоїдні сталі – 0,02 % < С < 0,8 % (С – вміст вуглецю в процентах). Структура – ферит (світлого кольору) та перліт (темного кольору). З підвищенням вмісту вуглецю частка перлітної складової зростає;

– евтектоїдна сталь – 0,8 %С. Структура перліт, при невеликих збільшеннях мікроскопа – це темного кольору складова частина структури. При збільшенні 500 крат і більше виявляється двофазна будова перліту (Ф-Ц);

– заевтектоїдні сталі – 0,8 % < С < 2,14 %. Структура – перліт і цементит (вторинний), що утворюється при повільному охолодженні по межах зерен у вигляді цементитної сітки.

Зі збільшенням в сталі вмісту вуглецю зростає кількість цементиту, який має велику твердість і крихкість, а тому його частинки є перепоною на шляху ковзання дислокацій. Внаслідок цього зростають міцність і твердість сталі, знижуються показники ударної в'язкості і пластичності. Зниження міцності заевтектоїдних сталей зумовлено наявністю крихкої сітки структурновільного цементиту. Твердість сталі монотонно зростає з збільшенням вмісту вуглецю.

Рисунок 1.3 – Залежність механічних властивостей сталей

Від вмісту вуглецю

 

Конструкційні сталі підрозділяють на сталі звичайної якості та сталі якісні. Групи сталей, їх маркування та призначення наведено в табл. 1.1-1.4.

 

Таблиця 1.1 – Сталі вуглецеві конструкційні звичайної якості

(ГОСТ 380-88)

Марка сталі	Вміст елементів, %	Використання
С	Mn	Si	£P	£S
Ст. 1кп2	£0,23	-	-	0,07	0,06	Конструкції невідповідального призна-чення: загородження, ущільнювачі, шайби тощо. Добра зварюваність.
Ст. 1кп	0,06...0,12	0,25..0,5	0,05	0,04	0,05	Для деталей, що вимагають високої в’язкості та низької твердості: анкерні болти, арматура тощо. Добра зварюваність.
Ст. 3сп	0,14..0,22	0,4..0,15	0,15 0,3	0,04	0,05	Балки, ферми, корпуси посудин, що працюють під тиском: деталі, які цементують: шестерні, вісі тощо. Добра зварюваність.
Ст. 5пс	0,22…0,3	1,2	0,15	0,04	0,05	Для деталей, що витримують невеликі напруги: вали, вісі, серги ресор тощо.
Ст. 6сп	0,49	0,5…0,8	0,15…0,3	0,04	0,05	Деталі підвищеної міцності: осі, вали, тяги, пальці траків, шпинделі тощо.

Примітка: Цифри при маркуванні не відображають вміст вуглецю в сталі, однак зі зростанням цифри підвищується концентрація вуглецю в сталі, отже твердість і міцність. Літери в кінці марки означають спосіб розкислення сталі: спокійна (сп), напівспокійна (пс) та кипляча (кп).

Таблиця 1.2 – Сталі вуглецеві конструкційні якісні (ГОСТ 1050-88)

Група сталі	Маркування	Використання та механічні властивості
Низьковуглецеві (0,05...0,08 %С)	Сталь 05; Сталь 08	Мають малу міцність та високу пластичність, використовуються без термічної обробки для холодного штампування, холодного видавлю-вання: кузови автомобілів, баки, диски, котли, корпуси приладів, прокладки, трубки тощо. Механічні властивості після нормалізації: (s тим = 340 МПа; s0,2 = 200...210 МПа; d = 31…33 %).
Маловуглецеві (0,10...0,30 %С)	Сталь 10; Сталь 15; Сталь 20; Сталь 25	Використовують без термічної обробки або в нормалізованому стані для деталей, що піддають цементації (ціануванню) та працюють на зношення без великих навантажень: втулки, осі кулачкових валиків, кільця ланцюгів тощо. Сталі з таким вмістом вуглецю використовують у вигляді кутиків, швелерів та балок, застосовують для металоконструкцій (sтим = 380...460 МПа; s 0,2 = 230...280 МПа; d = 23…27 %).
Середньовуглецеві (0,30...0,50 %С)	Сталь 30; Сталь 35; Сталь 40; Сталь 45; Сталь 50	Після нормалізації, термічного поліпшення чи поверхневого гартування середньо-вуглецеві сталі використовують для деталей, що зазнають згинання, кручення, зношення, ударні навантаження: колінчасті та розподільчі вали,плунжери, шестерні та вали редукторів тощо (sтим = 500...610 МПа; s 0,2 = 300...360 МПа; d = 23…27 %).
Високовуглецеві (0,55-0,80 %)	Сталь 55 -Сталь 80	Після гартування та серед-ньотемпературного відпускання кон-струкційні сталі з підвищеним вмістом вуглецю до 0,6...0,85 % мають високі пружні властивості та використовуються для виготовлення пружин, ресор тощо. (sтим = 800 МПа; 40…45 HRC)

Примітка: Вміст сірки £0,04 %, фосфору £0,035 %. Маркуються двома цифрами, що вказують на середній вміст вуглецю в сотих частках процента.

 

Таблиця 1.3 – Автоматні сталі (ГОСТ 1414-75)

Група сталі	Маркування	Використання
Вуглецева, що містить сірку	А10, А12, А20, А30, А35	Деталі складної конфігурації з вимогами високої точності розмірів та низької шорсткості поверхні: шестерні, валики, заслінки, клапани, кільця, пальці, ходові гвинти металорізальних верстатів, деталі кріплення тощо.
Вуглецева, що містить свинець	АС14, АС40	Те саме
Вуглецева, що містить сірку та селен	А35Е, А45Е	Те саме

Примітка: 1) Зниження зношення інструментів, отримання ламкої стружки та низької шорсткості поверхні деталі досягається за рахунок підвищення вмісту сірки (до 0,3 %), фосфору (до 0,15 %) та введення свинцю (до 0,3 %) та селену (до 0,1 %). 2) Літера “ А” означає автоматна, цифри – середній вміст вуглецю в сотих частках процента, “ С” та “ Е” – додаток свинцю та селену, відповідно.

 

Таблиця 1.4 – Сталі вуглецеві інструментальні ДСТУ 3833-98

(ГОСТ 1435-74)

Група	Маркування	Використання
	У7, У7А, У8, У8А, У8Г, У8ГА	Інструменти для слюсарно-монтажних робіт та обробки дерева: сокири, пили. фрези, молотки тощо.
	У9, У9А, У10, У10А	Штампи для холодного штампування, фрези, зенкери, викрутки, калібри
	У12, У12А, У13, У13А	Інструменти, що не піддаються ударним навантаженням: напилки, шабери, інструмент для гравірування

Примітка: Вуглецеві інструментальні сталі у відпаленому стані характеризуються невисокою твердістю (1660...1920 НВ) і задовільною оброблюваністю різанням та тиском. Після гартування та низького відпуску твердість становить 50…65 HRC, границя міцності на згин – s = 250...350 МПа.

В маркуванні “ У ” позначає інструментальну вуглецеву сталь, цифри вказують на середній вміст вуглецю в десятих частках відсотка. Літера “ А ” в кінці марки означає, що сталь – високоякісна і має знижений вміст сірки та фосфору. Літера “ Г ” – означає наявність марганцю.

 

Методичні вказівки

Дана робота виконується фронтально бригадами по 2-3 студенти відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки. Кожна бригада отримує зразки для проведення мікроскопічного дослідження шліфів. Шляхом порівняння мікроструктури зразків з фотографіями структур різних залізовуглецевих сплавів, які наведені в альбомах, визначається вміст вуглецю та марка вуглецевої сталі.

Схематично зображається структура переглянутих сплавів, визначаються структурні складові та, з допомогою довідкових даних, вказується біля кожної структури хімічний склад сплаву, твердість у відпаленому стані, застосування.

Для визначеної викладачем деталі (інструменту) вибирається марка вуглецевої сталі. Визначається хімічний склад, структура та призначення інших, вказаних викладачем, вуглецевих сталей.

 

Зміст протоколу

1. Назва роботи.

2. Мета роботи.

3. Прилади та матеріали.

4. Накреслити діаграму стану сплавів залізо-цементит, вказати фазовий склад, критичні точки.

5. Нарисувати мікроструктури сталей, передаючи тільки характерні особливості структурних складників (див. додаток Б), позначити структурні складники виносними лініями, вказати збільшення зображення.

6. Описати структурні складові.

7. Вказати марку за державним стандартом, хімічний склад, механічні властивості та приклади застосування сталей.

8. Висновки по виконаній роботі.

 

Питання для самоперевірки

1. Що таке ферит, аустеніт, цементит, перліт, ледебурит?

2. Назвіть критичні точки сталі.

3. Які перетворення відбуваються в сплавах при температурах А₁, А₂, А₃, А _ст?

4. Яка структура та властивості технічного заліза, Сталі 45, У8, У12?

5. В яких умовах виділяється первинний, вторинний або третинний цементит?

6. Яка будова перліту при кімнатній температурі?

7. Як визначити вміст вуглецю по структурі сталі?

8. Яка будова ледебуриту при кімнатній температурі, при температурі, що перевищує евтектоїдну температуру 727 °С та при температурі, що знаходиться трохи нижче евтектичної температури 1147 °С?

9. Як впливають легуючі елементи на положення критичних точок заліза та сталі?

10. Які легуючі елементи сприяють графітизації вуглецю?

11. Як впливають легуючі елементи на властивості фериту та аустеніту?

12. Як класифікують вуглецеві сталі по структурі в рівноважному стані?

13. Як класифікують та маркують вуглецеві конструкційні сталі звичайної якості?

14. Як класифікують та маркують якісні вуглецеві конструкційні сталі?

15. Як класифікують та маркують інструментальні вуглецеві сталі?

16. Яку структуру мають доевтектоїдні, евтектоїдні та заевтектоїдні вуглецеві сталі в рівноважному стані?

17. Як структурний та фазовий склад сплавів залежать від вмісту вуглецю та температури?

18. Які домішки в сталі є шкідливими, в чому полягає їх шкідливий вплив?

19. Які фази утворюють легуючі елементи в сталі?

20. Як отримати при нормальній температурі структуру аустеніту або фериту?

21. Яка концентрація вуглецю в перліті і ледебуриті?

 

Рекомендована література

1. Бялік О.М., Черненко В.С., Писаренко В.М., Москаленко Ю.Н. Металознавство. – К.: Політехніка, 2008.- 384 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – 3-е изд. –М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

3. Геллер Ю.А., Рахштад А.Г. Материаловедение. – 6-е изд. М.: Металлургия, 1989. – 456 с.

4. Болховитинов Н.Ф., Болховитинова Е.Н. Атлас макро- и микроструктур металлов и сплавов. – М.: Машгиз, 1964. – 86 с.

 

 

Лабораторна робота № 2

Вивчення мікроструктури чавунів

 

Мета роботи – вивчити структурні перетворення в чавунах у залежності від їх хімічного складу та температури, а також вплив складу та структури на властивості чавунів: освоїти принцип маркування чавунів та основи їх вибору для деталей i конструкцій.

 

Прилади та матеріали

1. Металографічний мікроскоп.

2. Зразки (шліфи) для дослідження форми графітних включень та мікроструктури сірих, високоміцних, ковких та білих чавунів.

3. Атлас мікроструктур.

 

Порядок виконання роботи

1. Вивчити форму графічних включень та мікроструктуру сірих, вермикулярних, високоміцних, ковких та білих чавунів.

2. Ознайомитися з марками, технологією отримання, класифікацією, хімічним складом, механічними властивостями та призначенням чавунів за держстандартом.

3. Нарисувати та описати мікроструктуру сірих, високоміцних, ковких та білих чавунів.

4. Оформити результати дослідів та скласти протокол.

 

Загальні відомості

Чавуни – це залізовуглецеві сплави, які містять більше 2,14 %С. Вони кристалізуються з утворенням евтектики, мають малий інтервал температур кристалізації і тому характеризуються добрими ливарними властивостями: великою рідкотекучістю, малою лінійною усадкою. Це дозволяє одержувати відливки складної форми з малою товщиною стінок. Вуглець у чавунах може знаходитися у вільному стані (графіт), у звичайному вигляді (цементиті) або у частково звичайному та переважно у вільному стані. В залежності від умов утворення графіту та від його форми розрізняють білі, половинчасті, сірі, високоміцні та ковкі чавуни.

 

Білі чавуни

Білими називають чавуни, в яких практично весь вуглець знаходиться в зв'язаному стані – у вигляді цементиту. Таку назву чавун отримав за матово-білий колір зламу (через велику кількість цементиту). Структурною ознакою білих чавунів є евтетика – ледебурит. Опис білого чавуну було зроблено при розгляді формування структур доевтектичних, евтектичних та заевтектичних чавунів відповідно до метастабільної діаграми залізо-цементит.

Білі чавуни мають дуже високу твердість та крихкість i практично не обробляються ні різанням, ні, тим більше, тиском. Проте, значна кількість твердого цементиту обумовлює високу зносостійкість білих чавунів, особливо в умовах абразивного зношування.

Білий чавун використовують у вигляді виливків як передільний чавун для виготовлення сталі.

В білих чавунах весь вуглець знаходиться у звичайному вигляді, а процеси кристалізації та структурні перетворення в них визначаються за допомогою метастабільної діаграми. Вміст вуглецю визначає структурні класи білих чавунів: доевтектичні (2,4 % < С < 4,3 %), евтектичні (4,3 %), заевтектичні (>4,3 %) (рис. 2.1).

Велика кількість цементиту в структурі білих чавунів (60 % при вмісті 4,3 % С) зумовлює їх значну твердість (540...550 НВ), низьку пластичність та неможливість обробки різцями, їх велика твердість забезпечує підвищену зносостійкість в умовах абразивного зношування. Відливки з відбіленого чавуну мають у поверхневому шарі структуру білого чавуну, а в серцевині – сірого або високоміцного. З білого та відбіленого чавунів виготовляють прокатні валки, кулі млинів для помолу руди. Білі та відбілені чавуни не маркуються.

а) б) в)

Рисунок 2.1 – Мікроструктура білих чавунів:

а) доевтектичний 2,9 %С (×150); б) евтектичний 4,3 %С (×200);

в) заевтектичний 5,5%С (×150)

 

Половинчасті чавуни

Методом лиття виготовляються також вироби з так званого половинчастого чавуну, що в основі має структуру сірого чавуну, а на поверхні – білого (рис. 2.2). Вибілювання є результатом швидкого охолодження (в кокілях). Така структура поверхневого шару (товщиною 10...30 мм) забезпечує високу стійкість проти спрацьовування. Вироби з відбіленою поверхнею використовуються для виготовлення прокатних валів листових станів, куль для кульових млинів, коліс вагонеток тощо.

 

а) б)

Рисунок 2.2 – Мікроструктура половинчастих чавунів:

а) половинчатий чавун: сірі включення в центрі – графіт, темні ділянки навколо графіту – перліт, останнє – ледебурит (×200);

б) половинчатий доевтектичний чавун: сірі пластини – включення графіту, сірі ділянки – перліт, білі ділянки з включеннями перліту – цементит (ледебурит) (×200)

Сірі чавуни

В сірих чавунах (ГОСТ 1412-85) графіт на площині шліфа має пластинчату форму. Кристалізація та структурні перетворення в цих чавунах відбуваються відповідно до стабільної діаграми (Fe-C) (рис. 2.3): при температурі нижче 1153 ⁰С утворюється аустенітно-графітна евтектика, а нижче 738 ºС – ферито-графітний евтектоїд.

Рисунок 2.3 – Діаграма стану залізо-графіт (штрихові лінії)

Технічні сплави, окрім заліза та вуглецю, містять кремній, марганець, алюміній тощо, тобто з багатокомпонентними сплавами, в яких евтектичне та евтектоїдне перетворення відбувається в інтервалі температур.

Структура відливок залежить від хімічного складу та швидкості охолодження при кристалізації та евтектоїдному перетворенні.

Через те, що в цементиті вміст вуглецю 6,67 %, а в графіті 100 %, кінетично більш ймовірно утворення Fe₃C, не дивлячись на те, що термодинамічно стабільною фазою є графіт (правило Освальда). Тому при швидкому охолодженні можливо утворення цементиту та структур білого чавуну, зменшення швидкості охолодження сприяє процесу графітизації, тобто діє аналогічно введенню кремнію та алюмінію.

Структура чавунних відливків визначається за допомогою діаграм, що показують залежність структури від хімічного складу чавуну та товщини (швидкості охолодження) відливок. В залежності від структури металевої основи (рис. 2.4) сірі чавуни поділяються на:

– феритні: структура основи – ферит, практично весь вуглець (за винятком розчиненого у фериті) знаходиться в графіті (рис. 2.4);

– ферито - перлітні: структура основи – ферит і перліт. У зв’язаному стані знаходиться <0,7 % вуглецю (в цементиті перліту);

– перлітні: структура основи – перліт. У цих чавунах 0,7 % вуглецю знаходиться в цементиті перліту;

– перлітно - цементитні.

Рисунок 2.4 – Мікроструктура сірого чавуну після травлення, (×200): структура: графіт – сірі включення пластинчатої форми,

Ферит – білі зерна.

Механічні властивості сірих чавунів залежать не тільки від структури основи, але і від форми та розміру графітних частинок (рис. 2.5). Механічні властивості деяких марок сірих чавунів приведено в табл. 2.1.

Зміною складу вуглецю та кремнію, з одного боку, та швидкості охолодження, з іншого, можна отримати різні структури чавуну (рис. 2.6).

Як видно, при даному вмісту вуглецю чим більше в чавуні кремнію, тим повніше протікає процес графітизації, i чим більше в чавуні вуглецю, тим менше потрібно кремнію для отримання заданої структури.

 

 

Таблиця 2.1 - Механічні властивості сірих чавунів

Марка сплаву	Механічні властивості, не менше	Призначення
σв, кгс/мм^2	σзг, кгс/мм^2	НВ, кгс/мм^2
Сірі чавуни, ГОСТ 1412-85
СЧ 12			143-229	Грузи, плити для полу та інші невідповідальні відливки
СЧ 12			163-229	Рукоятки, кришки та інші невідповідальні відливки
СЧ 28			170-241	Відповідальні і складні машинобудівельні деталі
СЧ 40			207-270	Деталі, які працюють під тиском та при значних навантаженнях
Ковкі чавуни, ГОСТ 1215-85
КЧ 30-6			100-163	Картери редукторів, гаки, скоби
КЧ 35-10			100-163	Елементи карданних валів
КЧ 50-5			170-230	Ланцюги та ролики конвеєрів, тощо
КЧ 60-3			200-270	Виливки складної форми
Високоміцні чавуни ДСТУ 3925-99
ВЧ 1000-12	1000МПа		240-270	Середньо- та важконавантажені деталі відповідального призначення
ВЧ 800-10			240-300	Корпуси парових турбін
ВЧ 600-15			192-277	Поршні, кронштейни та інші деталі
ВЧ 900-10			270-260	Деталі прокатного, ковальсько-пресового обладнання
Чавун з вермикулярним графітом ДСТУ 3926-99
ЧВГ 300			135-170	Головки блоків циліндрів, випускні колектори
ЧВГ 400			160-200	Гальмівні диски, колінчасті і розподільчі вали
ЧВГ 500			190-250	Зубчасті колеса, корпуси турбокомпресорів, тощо

 

В залежності від вмісту вуглецю, пов'язаного в цементит, розрізняють: білий (область I), половинчастий (область II), перлітний сірий (область ІІІ), феритно-перлітний (область IV), феритний сірий (область V) чавуни (рис. 2.6).

Пластинчастий графіт являє собою нaдpiзи (мікротріщини), що знижують границю міцності при розтягуванні, при цьому чим більш дисперсні графітні частинки, тим вище властивості чавуну. Введення в чавун модифікаторів першого роду приводить до збільшення кількості центрів графітизації та подрібнення частинок графіту.

 

а) б) в)

Рисунок 2.5 – Форми графітних включень, (×1000):

а) крупнопластинчатий графіт (повільне охолодження);

б) пластівкоподібний графіт (прискорене охолодження);

в) кулькоподібний графіт (модифікований чавун).

Рисунок 2.6 – Вплив вуглецю i кремнію на структуру чавуна

(заштрихована область – найбільш поширені чавуни)

 

Присутність у чавунах великої кількості мікро надрізів робить їх дуже чутливими до концентраторів напруг. Графіт сприяє утворенню крихкої стружки i тим поліпшує обробку чавунів різанням. Чавуни мають високу демпфіруючу здатність (добре гасять коливання). Крім цього, графіт – гарна змазка, у зв'язку з чим він підвищує антифрикційні властивості чавуну.

Структура металевої основи впливає на межу міцності при стисненні; твердість і зносостійкість збільшуються при зростанні кількості перліту. Ферит, навпаки, зменшує міцність та зносостійкість чавунів.

Сірі чавуни використовуються як матеріал для виготовлення мало- та середньо навантажених опор, деталей сільськогосподарських машин, верстатів, автомобілів, тракторів, станин електродвигунів тощо. Згідно ГОСТ 1412-85 сірий чавун маркується літерами СЧ та цифрами, що характеризують значення границі міцності при розтягуванні. Наприклад, чавун СЧ15 має σ > 150 МПа (15 кгс/мм²). Властивості чавунів, в тому числі і сірих, можуть бути значно покращенні модифікуванням.

Модифікування – це введення спеціальних добавок при плавленні або при розливанні сплавів з метою поліпшення їх структури та властивостей. За впливом на процеси кристалізації розрізняють модифікатори I та ІІ типів. Модифікатори I типу у вигляді тугоплавких дисперсних частинок оксидів, нітридів, карбідів тощо – це додаткові центри кристалізації (графітизації). Вони зумовлюють утворення дрібного зерна або частинок графіту в сплаві. Для чавунів модифікатори I типу це – силікокальцій, алюміній; для сталей – цирконій, ніобій, ванадій, алюміній. Модифікатори ІІ типу – це поверхнево-активні речовини, їх атомний розмір набагато перевищує розмір атома, тому вони знаходяться не в твердому розчині, а на міжфазній поверхні. Внаслідок цього поверхнево-активні елементи зменшують поверхневу енергію межі поділу “рідина-тверда фаза”, що зменшує критичний розмір зародка та змінює форму. Так, наприклад, введення в ківш, в струмінь розгону або в форму поверхнево-активних елементів магнію, цезію сприяє глобуляризації часток графіту у чавуні.

 

Ковкий чавун (ГОСТ 1215-85)

У ковких чавунах графіт має пластівкоподібну форму (рис. 2.8), що є наслідком гpaфiтизyючoгo відпалювання при 950 ⁰С доевтектичних білих чавунів (2,5...3,0 %С, 0,7...1,5 %Si, 0,3…1,0 %Mn). Графіт такої форми, в порівнянні з пластинчастим, менше знижує мі