Рекомендуемый библиографический список

1. Гуляев А.П. Металловедение. М.:Металлургия, 1986. 544 с.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.:Металлургия. 1984. 360 с.

3. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.:Металлургия, 1989. 456 с.

Лабораторная работа № 2

МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение микроструктуры чугуна.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Чугуном называется железоуглеродистый сплав с содержанием углерода более 2,14% (последние данные 2,06%).

Промышленный чугун, кроме основных компонентов железа и углерода, содержит постоянные примеси (кремний, марганец, серу, фосфор и др.), как правило, в больших количествах, чем углеродистая сталь.

Основой для изучения чугуна, как и стали, являются диаграммы состояния систем железо-цементит и железо-графит.

В зависимости от скорости охлаждения, содержания примесей, модифицирования и последующей термической обработки может быть получен чугун белый, серый, ковкий, высокопрочный.

Белый чугун не содержит графита; в его структуре углерод полностью находится в химически связанном состоянии в виде цементита (карбида железа – Fe₃C).

В структуре серого, ковкого и высокопрочного чугуна углерод частично или полностью находится в свободном состоянии в виде графита различной формы. В сером чугуне форма графита пластинчатая (рис.1, а, б), в ковком - хлопьевидная (рис.1, в), в высокопрочном - шаровидная (рис.1, г).

а	б
в	г

Рис.1. Схемы микроструктур чугуна: серого (а - крупный прямолинейный пластинчатый графит; б - мелкий завихренный пластинчатый графит), ковкого (в - хлопьевидный графит), высокопрочного (г - шаровидный графит) в нетравленом состоянии, ´135

При нормальной (комнатной) температуре чугун состоит из следующих фаз - феррита, цементита и графита, образующих однофазные - феррит, цементит, графит и двухфазные структурные составляющие - перлит, ледебурит.

Феррит представляет собой ограниченный твердый раствор внедрения углерода в a-железе, имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку, твердость НВ600...800 МПа, очень пластичен, ферромагнитен до температуры 768^ОС. На диаграмме состояния железо-цементит занимает две области AHN и GPQ. Максимальное содержание углерода в феррите составляет 0,025% при температуре 727°С (точка Р диаграммы) и 0,0067% при нормальной температуре (точка Q диаграммы). Микроструктура феррита состоит из однородных зерен светлой или зачастую различной окраски, что объясняется неодинаковой травимостью зерен, срезанных по различным кристаллографическим плоскостям при изготовлении микрошлифа (анизотропия свойств кристаллов).

Цементит - химическое соединение Fe₃C представляет собой карбид железа, содержащий 6,67% углерода, имеет сложную кристаллическую решетку с плотной упаковкой атомов, обладает высокой твердостью НВ10000 МПа и хрупкостью. После обычного травления с использованием универсального реактива - 4% раствора азотной кислоты в этиловом спирте - цементит, как и феррит просматривается в микроскопе в виде светлых участков. Вследствие слабой растворимости цементита в кислотах его участки в структуре выступают над окружающим ферритом и остаются более гладкими и блестящими по сравнению с ферритом. Для четкого выявления цементита можно применять специальное травление пикратом натрия, после которого цементит окрашивается в темный цвет, а феррит остается светлым. Различают первичный цементит (Ц_I), кристаллизующийся из жидкой фазы в виде игл или пластин у сплавов, содержащих более 4,3% углерода; вторичный (Ц_II), выделяющийся при вторичной кристаллизации из аустенита по границам его зерен у сплавов с содержанием углерода более 0,8%; третичный (Ц_III), выделяющийся при кристаллизации из феррита по границам его зерен в виде сетки у всех сплавов с содержанием углерода более 0,0067%. Начало первичной кристаллизации цементита соответствует температурам линии DС диаграммы состояния железо-цементит (1252-1147^ОС), начало выделения вторичного цементита - температурам линии ЕS (1147-727^ОС), начало выделения третичного цементита - температурам линия PQ (727-20^ОС).

Перлит представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз - феррита и цементита, которая образуется при температуре линии РSК диаграммы (727^ОС) в результате эвтектоидного превращения по реакции .

В зависимости от формы цементита различают пластинчатый перлит с межпластиночным расстоянием более 0,3 мкм, получаемый в результате отжига, и зернистый, получаемый путем специальной термической обработки. Твердость НВ пластинчатого и зернистого перлита составляет соответственно 2000-2500 МПа и 1600-2200 МПа и зависит от степени измельченности (дисперсности) цементита. Другие характеристики механических свойств перлита также обусловливаются свойствами его фазовых составляющих и зависят от степени дисперсности цементита. Чем крупнее составляющие перлит пластины цементита и феррита, тем ниже уровень его механических свойств, причем у крупнопластинчатого перлита снижаются характеристики и прочности и пластичности.

После обычного травления пластинчатый перлит под микроскопом просматривается в виде чередующихся светлых пластинок феррита и цементита, причем ширина цементитных пластинок приблизительно в 7 раз меньше ширины пластинок феррита. При уменьшении увеличения микроскопа в связи со слиянием растравленных границ между ферритом и цементитом последний просматривается в виде темных пластин, почему очень часто на схеме микроструктуры перлит изображают в виде чередующихся светлых пластин феррита и темных пластин цементита. При совсем малых увеличениях перлит просматривается в виде зерен серого цвета. Зернистый перлит под микроскопом просматривается в виде светлых включений цементита округлой формы на светлом фоне феррита. Строение перлита целесообразно рассматривать при увеличениях не менее 500 раз.

Ледебурит представляет собой двухфазную смесь аустенита (или перлита) и цементита. Ледебурит - эвтектическая двухфазная смесь аустенита и цементита - образуется при температуре линии ЕСF (1147^OС) диаграммы в результате эвтектического превращения по реакции . Выявленный металлографически как смесь, ледебурит по своей природе представляет собой бикристаллическое образование, двухфазный бикристалл.

При дальнейшем охлаждении в соответствии с линией ES диаграммы происходит выделение из аустенита вторичного цементита и после достижения аустенитом эвтектоидного состава при температуре линии РSК (727^ОС) - эвтектоидное превращение, в связи с чем при температурах ниже 727^ОС ледебурит представляет собой двухфазную смесь перлита и цементита. Ледебурит тверд (» HB7000 МПа) и хрупок. Под микроскопом ледебурит просматривается в виде темных включений перлита на светлом фоне цементита.

Графит представляет собой аллотропическую модификацию углерода с кристаллической решеткой типа гексагональной, имеет слоистое строение, ничтожно малые значения прочностных характеристик, его влияние на металлическую основу чугуна сказывается подобно действию надрезов. Графит обладает смазывающим действием, усиливает демпфирующие свойства, под микроскопом имеет вид темных включений.

Все чугуны, кроме белого, получаются в результате графитизации и, как конструкционный материал, находят широкое применение в машиностроении.

Процесс кристаллизации графита как из жидкой фазы при затвердевании чугуна, так и из твердой фазы (аустенита) называется графитизацией.

Образование структуры чугуна в процессе графитизации можно рассматривать по двойной - совмещенной диаграмме состояния систем железо-графит и железо-цементит, а также с успехом можно объяснить по диаграмме состояния железо-цементит.

На процесс кристаллизации графита, в основном, оказывают влияние химический состав чугуна и скорость охлаждения.

Химические элементы, входящие в состав чугуна, оказывают различное влияние на процесс графитизации.

Углерод способствует процессу графитизаций чугуна. Кремний - графитообразующий элемент - способствует кристаллизации графита из жидкого и твердого растворов или разложению цементита при нагреве по реакции Ц®А+Г. Наличие в чугуне элементов - алюминия, никеля, меди, оксидов SiО₂, Al₂O₃, нитридов AlN, BN, нерастворившихся частиц графита, также благоприятно влияет на графитизацию чугуна. Сера и марганец при повышенном содержании тормозят образование графита и, подобно ускоренному охлаждению, вызывают "отбел" в чугуне (кристаллизацию цементита).

Быстрое охлаждение препятствует графитизации чугуна. Медленное охлаждение оказывает положительное влияние на процессы графитизации и чем меньше скорость охлаждения, тем более полно они завершаются. Поэтому для получения структуры серого чугуна в его состав вводится 2,5-4% углерода, 1-4% кремния и осуществляется медленное охлаждение отливок в литейных формах. При затвердевании и медленном охлаждении серого чугуна графит пластинчатой формы выделяется как из жидкой фазы, так и из твердого раствора - аустенита. Структура чугуна после графитизации, разумеется, будет состоять из металлической основы и неметаллических графитных включений. Металлическая основа чугуна после графитизации определяется по диаграмме состояния железо-цементит в зависимости от содержания в чугуне оставшегося связанного углерода в виде цементита.

В железоуглеродистых сплавах, кроме описанного процесса образования графита при кристаллизации серого чугуна, возможен и другой путь графитизации. Образовавшийся в структуре белого чугуна цементит является неустойчивым (нестабильным) соединением и при определенных условиях (нагреве) может распадаться с образованием аустенита и графита. Поэтому в белом чугуне при температуре выше линии РSК и соответствующей выдержке будет происходить графитизация - распад цементита, растворение атомов углерода в аустените, диффузия атомов углерода к центрам кристаллизации и рост графитных включений хлопьевидной формы. В результате структура будет состоять из зерен аустенита и графитных включений. При дальнейшем достаточно медленном охлаждении 10-20^О/час можно добиться распада аустенита с образованием ферритографитной структуры ковкого чугуна. Если скорость охлаждения будет значительно выше, аустенит переохладится до линии РSК (727^ОС) и превратится в перлит. В этом случае путем замедленного охлаждения или длительной изотермической выдержки ниже линии РSК можно достигнуть полного разложения эвтектоидного цементита, входящего в перлит, и получения также структуры ковкого чугуна с ферритной металлической основой и хлопьевидным графитом.

Процесс графитизации при надлежащих температурах широко используется для регулирования металлической основы и свойств высокопрочного чугуна.

2. МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ЧУГУНА

2.1. Микроструктура белого чугуна

В соответствии с диаграммой состояния железо-цементит белый чугун может быть доэвтектическим с содержанием углерода менее 4,3%, эвтектическим при 4,3% углерода и заэвтектическим с концентрацией углерода более 4,3%.

При охлаждении доэвтектического состава из жидкого состояния до линии ликвидус ВС никаких превращений не происходит. От температур линии ликвидус ВС до линии солидус ЕС кристаллизуется аустенит переменного состава, что приводит (при 1147^ОС) к увеличению содержания в жидком чугуне углерода до 4,3% и эвтектическому превращению, при котором происходит одновременная кристаллизация из жидкости двух фаз - аустенита с концентрацией 2,14% С и цементита, приводящая к образованию ледебурита. Дальнейшее охлаждение, за счет выделения вторичного цементита в соответствии с линией ЕS сопровождается снижением содержания углерода в аустените до 0,8% С, эвтектоидным превращением по линии РSK, в результате чего микроструктура доэвтектического белого чугуна ниже 727^ОС, состоит из перлита в виде темных участков, ледебурита в виде темных точечных перлитных включений на белом фоне цементита и вторичного цементита, который может быть в виде светлых отдельных включений и игл, и может сливаться с цементитом ледебурита (рис.2). С увеличением содержания углерода в чугуне количество ледебурита возрастает, а перлита уменьшается.

Микроструктура эвтектического белого чугуна состоит из ледебурита, представляющего собой при температурах выше линии PSK (727^ОС) смесь аустенита и цементита (эвтектического и вторичного), а ниже - смесь перлита и цементита (рис.3).

Микроструктура заэвтектического белого чугуна состоит из крупных светлых пластин первичного цементита и ледебурита (рис.4).

Рис.2. Схема микроструктуры доэвтектического белого чугуна. Ледебурит и перлит. ´350	Рис.3. Схема микроструктуры эвтектического белого чугуна. Ледебурит. ´350
В результате кристаллизации первичного цементита ниже линии DC диаграммы жидкий чугун обезуглероживается и при температуре 1147^ОС (линия ECF) с содержанием углерода 4,3% затвердевает в эвтектику - ледебурит, которая при нормальной температуре представляет собой смесь перлита и цементита; с повышением содержания углерода в заэвтектическом чугуне количество первичного цементита возрастает, количество ледебурита	Рис.4. Схема микроструктуры заэвтектического белого чугуна. Ледебурит и первичный цементит. ´350

уменьшается. Высокое содержание эвтектического, первичного и вторичного цементита в белом чугуне придает ему высокую твердость, хрупкость и износостойкость. Белый чугун очень плохо обрабатывается режущим инструментом. Применяется при литье только износостойких отливок, не требующих обработки (шары для шаровых мельниц, прокатные валки, вагонные колеса с отбеленным ободом и некоторые другие). Белый чугун своим названием обязан матово-белому цвету излома.

2.2. Микроструктура серого чугуна

Серый чугун, как уже было отмечено, получается непосредственно в процессе кристаллизации из жидкого состояния при медленном охлаждении в литейных формах.

В структуре серого чугуна ледебурит отсутствует, а углерод находится в форме пластинчатого графита (в виде прожилок, лепестков, чешуек).

Металлическая основа (матрица) серого чугуна зависят от количества связанного углерода (цементита), оставшегося в структуре после графитизации.

Если связанного углерода почти нет, то металлическая основа - ферритная, если связанного углерода 0,8% - перлитная, если меньше 0,8% - ферритоперлитная. Соответственно и чугун называют ферритным (рис.5), перлитным (рис.6), ферритоперлитным (рис.7).

Рис.5. Схема микроструктуры ферритного серого чугуна. Феррит и пластинчатый графит. ´200	Рис.6. Схема микроструктуры перлитного серого чугуна. Перлит и пластинчатый графит. ´600
	Кроме указанных структурных составляющих в сером чугуне, благодаря повышенному содержанию фосфора и ликвации его, часто образуются участки фосфидной эвтектики характерного точечного строения. Фосфидная эвтектика состоит из феррита, цементита и фосфида железа Fe3Р. Крупные образования фосфидной эвтектики сильно увеличивают хрупкость чугуна.
Рис.7. Схема микроструктуры феррито-перлитного серого чугуна. Феррит, перлит и пластинчатый графит. ´200

Пластинчатая форма графита в значительной степени разупрочняет металлическую основу и придает серому чугуну повышенную хрупкость.

Серый чугун хорошо обрабатывается режущим инструментом. Отливки из серого чугуна производятся в соответствии с ГОСТ 1412-79. По серому цвету излома чугун называется серым.

 

2.3. Микроструктура ковкого чугуна

Ковкий чугун получается путем отжига (графитизаиии) белого доэвтектического чугуна. В зависимости от режима отжига металлическая основа так же, как и у серого чугуна, может быть ферритной (рис.8), перлитной (рис.9) и ферритоперлитной (рис.10).

При отжиге белого чугуна графит кристаллизуется в виде хлопьев и называется графитом отжига (см. рис.1, в).

Рис.8. Схема микроструктуры ферритного ковкого чугуна. Феррит и хлопьевидный графит. ´200	Рис.9. Схема микроструктуры перлитного ковкого чугуна. Перлит и хлопьевидный графит. ´600
Ковкий чугун, благодаря равновероятной форме хлопьев, снижающей концентрацию напряжений, обладает повышенными характеристиками прочности и пластичности. Марки механических свойств ковкого чугуна предусмотрены ГОСТ 1215-79. Несмотря на название, ковкий чугун практически не куется, но может, в случае коробления отливок, подвергаться рихтовке.
	Рис.10. Схема микроструктуры феррито-перлитного ковкого чугуна. Феррит, перлит и хлопьевидный графит. ´200

2.4. Микроструктура высокопрочного чугуна

Получение высокопрочного чугуна основано на обработке (модифицировании) серого чугуна в жидком состоянии присадками магния, церия.

От степени графитизации (количества оставшегося связанного углерода в структуре) металлическая основа чугуна с шаровидным графитом может быть ферритной (рис.11), ферритоперлитной (рис.12) и перлитной (рис.13).

Рис.11. Схема микроструктуры ферритного высокопрочного чугуна. Феррит и шаровидный графит. ´200	Рис.12. Схема микроструктуры феррито-перлитного высокопрочного чугуна. Феррит, перлит и шаровидный графит. ´200
	Таким образом, у серого, ковкого и высокопрочного чугуна металлической основой является сталь, разобщенная графитными включениями различной формы. Чугун с шаровидным графитом обладает высокими механическими свойствами и называется высокопрочным (ГОСТ 7293-79).
Рис.13. Схема микроструктуры перлитного высокопрочного чугуна. Перлит и шаровидный графит. ´600

 

3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

- Уясните цель работы,

- Сопоставьте способы получения различных видов чугуна.

- Изучите микроструктуру чугунов при нормальной температуре (альбом, с.13-16).

- Изобразите схемы микроструктур различных видов чугуна в нетравленом состоянии и после травления универсальным реактивом - 4% раствором азотной кислоты в этиловом спирте.

- Выполните микроструктурный анализ различных видов чугуна.

- Проследите за формированием структуры одного из сплавов белого чугуна при охлаждении из жидкого состояния.

- Составьте отчет о работе.

 

 

4 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

- Цель работы.

- Определение чугуна.

- Классификация чугуна.

- Определение структурных составляющих чугуна.

- Характеристика белого, серого, ковкого, высокопрочного чугунов, особенности их получения, структуры и свойств.

- Схемы микроструктур чугуна.

- Микроструктурный анализ чугуна.

- Схемы вероятных микроструктур одного из сплавов белого чугуна при охлаждении из жидкого состояния.

5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

- Какой сплав называется чугуном?

- Назовите виды чугуна.

- Какой чугун называется белым?

- Какова форма графитовых включений в сером, ковком и высокопрочном чугуне?

- Что представляют собой структурные составляющие чугуна - феррит, цементит, перлит, ледебурит, графит и какими основными свойствами они обладают?

- Какие факторы влияют на процесс графитизации чугуна?

- Какая металлическая основа может быть у чугунов, содержащих графит, и от чего она зависит?

- Что представляет собой фосфидная эвтектика и в каком чугуне она встречается?

- Какой процесс называется графитизацией?

- Какие факторы влияют на процесс графитизации?

 

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гуляев А.П. Металловедение.- М.:Металлургия, 1986.- 544С., С.181-198.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка.- М.:Металлургия, 1984.- 360 С., С.139-152.

3. Геллер П.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение.- М.:Металлургия, 1989.- 456 С., С.265-268.

 

Лабораторная работа №3