Биронт, В.С. Структура железоуглеродистых и цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНОВ

Структура чугунов



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-21-

При охлаждении жидкого чугуна эвтектического состава до точки С

жидкий раствор, являющийся ненасыщенным железом и углеродом, по дос-

тижении температуры 1147 °С становится насыщенным, а при последующем

переохлаждении – пересыщенным как по железу, так и по углероду. В связи с

этим при переохлаждении ниже точки С будет идти одновременная кристал-

лизация аустенита и цементита в виде взаимно прорастающих и разветвляю-

щихся кристаллов с характерным регулярным строением, основу которого

составляет цементитный кристалл, пронизанный ветвями аустенита. Такая

эвтектическая структура носит название ледебурит. Переохлаждение ледебу-

рита ниже 727 °С приводит к распаду аустенита в составе ледебурита на пер-

лит. Поэтому после охлаждения ниже указанной температуры ледебурит ока-

зывается состоящим из перлита и цементита с прежним внешним эвтектиче-

ским строением, сформировавшимся при кристаллизации.

Структура эвтектического чугуна

(образец 42) представлена превращенным

ледебуритом, который состоит из перлита и

цементита. Ледебурит в чугуне может иметь

пластинчатое (пакетное) или, наиболее час-

то, сотовое строение (рис. 2.2

В ряде случаев эвтектические коло-

нии ледебурита на периферии имеют весьма

грубое строение, так что распавшийся аусте-

нит кажется обособленным от эвтектики и

его можно принять ошибочно за первичные

выделения аустенита, как в доэвтектических чугунах.

В доэвтектическом белом чугуне содержится углерода менее 4,3 %.

Формирование структуры доэвтектического чугуна определяется превраще-

ниями (табл. 2.2

В доэвтектических чугунах из жидкой фазы по механизму кристалли-

зации твердых растворов выделяется первичный аустенит в форме дендри-

тов. Это приводит к обогащению оставшейся жидкости углеродом, концен-

трация которого в ней при температуре 1147 °С достигает 4,3 %.

Таблица 2.2

Схема фазовых и структурных превращений в доэвтектическом

чугуне с содержанием углерода 2,14–4,3 % С

Условия раз-

вития пре-

вращения

Δt

ниже линии BС

t = const

на линии ECF

Δt

ниже линии ECF

t = const

на линии PSK

Фазовый

состав

→

(γ + Fe

→

(γ + Fe

→

[(α + Fe

+ Fe

(α + Fe

Структура

→

Ж + А

→

Л + А

→

Л + А + Ц

→

Л + П + Ц

Рис. 2.2. Структура эвтектического

чугуна (ледебурит)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНОВ

Структура чугунов



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-22-

Дальнейшее переохлаждение сплава ниже 1147 °С вызывает развитие

эвтектической кристаллизации жидкости. При охлаждении в интервале тем-

ператур 1147–727 °С аустенит обедняется углеродом и его состав изменяется

по линии ES, что приводит к выделению вторичного цементита. При переох-

лаждении ниже 727 °С аустенит точки S распадается на эвтектоидную смесь,

которая имеет внешние очертания аустенита. Чем больше в чугуне углерода,

тем меньше в его структуре перлита и больше ледебурита.

Вторичный цементит, выделяющийся по границам зерен первичного

аустенита, сливается с цементитом ледебурита. Под микроскопом можно

увидеть только иглы вторичного цементита, пронизывающие распавшийся

аустенит (перлит).

Рис. 2.3. Структура белого чугуна: а – доэвтектического; б – заэвтектического

Итак, в доэвтектических белых чугунах (образец 41) (рис. 2.3)можно

увидеть три структурные составляющие – распавшийся первичный аустенит

(перлит), вторичный цементит и превращенный ледебурит (перлит и цемен-

тит) (рис. 2.3, а

Внутри превращенного ледебурита при малых увеличениях трудно

рассмотреть эвтектоидные колонии в бывшем аустените. В микроскопе они

представляют собой хорошо травящиеся темные включения.

Заэвтектический чугун содержит углерода более 4,3 %. Структура за-

эвтектического чугуна (образец 43) представлена пластинами первичного

цементита и колониями превращенного ледебурита (рис. 2.3, б

). Схема фор-

мирования структуры включает, как и в предыдущих случаях, процессы кри-

сталлизации и фазовых превращений в твердом состоянии (табл. 2.3

Таблица 2.3

Схема фазовых и структурных превращений в заэвтектическом чугуне

с содержанием углерода 4,3–6,67 % С

Условия развития пре-

вращения

Δt

ниже линии СD

t = const

на линии ECF

t = const

на линии PSK

Фазовый состав

→

(γ + Fe

→

[(α + Fe

+ Fe

Структура

→

Ж + Ц

→

Л + Ц

→

Л + Ц

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНОВ

Структура чугунов



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-23-

Процесс кристаллизации заэвтектического чугуна начинается с выде-

ления из расплава кристаллов первичного цементита в виде плоских дендри-

тов, дающих в сечении шлифа вытянутые пластины, похожие на иглы. Пер-

вичная кристаллизация заканчивается образованием пластин цементита. Да-

лее идут процессы такие же, как и в доэвтектическом чугуне. При комнатной

температуре в заэвтектическом чугуне определяются две структурные со-

ставляющие – первичный цементит и превращенный ледебурит.

Фазовый состав белых чугунов при комнатной температуре такой же,

как и у отожженных углеродистых сталей, – феррит и цементит.

Серые (литейные) чугуны получают при меньшей скорости кри-

сталлизации, чем белые чугуны, поэтому процесс формирования их структу-

ры описывается стабильной диаграммой состояния железо–углерод (см.

рис. 1.1

), где пунктирные линии показывают фазовые равновесия с графитом.

В сером чугуне жидкость состава точки С′ кристаллизуется в виде эв-

тектики, состоящей из аустенита и графита:

С′

→ γ

Е′

+ Г

Эвтектические колонии развиваются как бикристалл, состоящий из

графита (ведущая фаза), который растет в виде разветвленного крабовидного

кристалла, и аустенита, отлагающегося на поверхности графитового скелета.

На шлифе сечения разветвленных крабовидных кристаллов графита видны

как изолированные включения в аустенитной матрице.

Формы и размеры таких выделений зависят от формы и разветвленно-

сти графитного скелета эвтектической колонии (рис. 2.4

). С изменением ус-

ловий кристаллизации изменяется форма графита. На шлифе он выглядит в

виде грубых или дисперсных изогнутых пластин, завихренных включений,

точечных выделений. Так как графит мягкий, то он плохо полируется и рас-

сеивает свет, поэтому выглядит в виде темных включений на светлом фоне

нетравленого шлифа. По нетравленому шлифу оценивают форму и дисперс-

ность включений графита, которые сильно влияют на механические свойства

серого чугуна.

В доэвтектических серых чугунах (сплавы с содержанием углерода

от 2,03 до 4,25 %) первично кристаллизуются дендриты аустенита, а затем –

аустенито-графитная эвтектика. Цепочки фазовых и структурных превраще-

ний, протекающих в стабильной системе, можно самостоятельно проанали-

зировать, опираясь на аналогичные методы, рассмотренные выше для мета-

стабильной диаграммы железо–цементит.

В заэвтектических серых чугунах (сплавы с содержанием углерода

более 4,25 %) первично кристаллизуется графит. Он, как и эвтектический,

растет в форме разветвленных крис

таллов, которые видны на шлифе в виде

изогнутых пластин. Оставшаяся после первичной кристаллизации графита

жидкость затвердевает, как эвтектическая. Кристаллы первичного графита

более грубые по сравнению с эвтектическими. После завершения кристалли-

зации в твердом состоянии аустенит изменяет свой состав по линии E

и из

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНОВ

Структура чугунов



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-24-

него выделяется вторичный графит, осаждающийся на ранее образовавшихся

первичных и эвтектических кристаллах графита, что принципиально не из-

меняет структуры чугуна.

а б в

Рис. 2.4. Форма и расположение графита в структуре серых чугунов:

а – эвтектическом; б – доэвтектическом; в – заэвтектическом

Переохлаждение аустенита состава точки S

(0,69 % С) ниже эвтекто-

идной температуры 738 °С вызывает развитие эвтектоидной реакции с обра-

зованием феррито-графитной смеси (эвтектоида

– α

P′

+ Г):

S′

→ α

P′

+ Г

Феррито-графитная смесь, образующаяся по эвтектоидной реакции,

характеризуется более тонким строением по сравнению с эвтектикой. При

очень малых степенях переохлаждения эвтектоидный графит может отла-

гаться на ранее образовавшихся первичных или эвтектических кристаллах

графита аналогично вторичному, принципиально не изменяя структуру чугу-

на. По структуре трудно подразделить серые чугуны на доэвтектические, эв-

тектические и заэвтектические.

Серые чугуны подразделяются по микроструктуре металлической ос-

новы в зависимости от полноты графитизации, которую оценивают по коли-

честву свободного выделившегося (не связанного) углерода (рис. 2.5

Образец 44а – серый чугун на ферритной основе. Структура: пластин-

чатый графит, феррит (рис. 2.5, а

а б в

Рис. 2.5. Микроструктура серого чугуна на различной металлической основе:

а – ферритный; б – перлитный; в – феррито-перлитный

Если графитизация в твердом состоянии прошла полностью, то серый

чугун содержит две фазовые и структурные составляющие – графит и феррит

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНОВ

Структура чугунов



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-25-

и фазовые превращения в чугуне можно рассматривать по стабильной диа-

грамме Fe–C. Такой чугун называют серым чугуном на ферритной основе

Образец 44

– серый чугун на перлитной основе. Структура: пластин-

чатый графит, перлит, фосфидная эвтектика (рис. 2.5, б

Если эвтектоидный распад аустенита прошел не в соответствии со

стабильной диаграммой (γ

S′

→ α

P′

+ Г), а в соответствии с метастабильной

(γ

→ α

+ Fe

), то структура чугуна состоит из графита и перлита. Чугун с

такой структурой называют серым чугуном на перлитной основе. Увеличе-

ние доли химически связанного углерода в чугуне вызывает рост его прочно-

стных свойств и уменьшение пластичности.

Образец 45 – серый чугун на феррито-перлитной основе. Структура:

пластинчатый графит, перлит, феррит и фосфидная эвтектика.

Если при охлаждении серого чугуна аустенит частично распадается

ниже 738 °С диаграммы Fe–C по эвтектоидной реакции на феррит и графит, а

частично при переохлаждении ниже 727 °С диаграммы Fe–Fe

C – на феррит

и цементит, т.е. перлит, то чугун содержит графит, феррит и перлит. Такой

чугун называют серым чугуном на феррито-перлитной основе (рис. 2.5, в

Полнота графитизации зависит от многих факторов, но, прежде всего,

от скорости охлаждения и состава сплава. При быстром охлаждении кинети-

чески более выгодно образование цементита, а не графита. С уменьшением

скорости охлаждения возрастает степень графитизации. Кремний в чугуне

способствует графитизации аналогично замедлению охлаждения, а марганец

затрудняет графитизацию.

Серые чугуны содержат повышенное количество фосфора, который

увеличивает жидкотекучесть, дает тройную эвтектику (γ + Fe

C + Fe

э.

металлической основе серого чугуна фосфидная эвтектика (стадит) видна в

виде светлых хорошо очерченных участков.

Серые чугуны имеют невысокие механические свойства, потому что

пластинчатые ответвления крабовидных образований графита действуют как

надрезы в металлической основе.

Для получения высокопрочного чугуна проводят модифицирование

серого чугуна магнием или церием, что обеспечивает образование глобуляр-

ного графита. В структуре высокопрочного чугуна (образец 48) присутству-

ют включения графита округлой формы (рис. 2.6, б

). Основа высокопрочного

чугуна может быть ферритная, перлитная и феррито-перлитная. Высокие ме-

ханические свойства чугуна обеспечиваются не только благоприятной фор-

мой графита, но и малым количеством вредных примесей серы и фосфора.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНОВ

Структура чугунов



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-26-

а б

Рис. 2.6. Микроструктура ферритного ковкого (а)

и феррито-перлитного высокопрочного (б) чугунов

Ковкие чугуны. Ковкий чугун получают путем отжига отливок из

белого чугуна. При высоких температурах (1000 °С) происходит переход не-

устойчивого цементита белого чугуна в графит. Такой графитизирующий

отжиг идет путем растворения метастабильного цементита в аустените и од-

новременного выделения из аустенита более стабильного графита. Степень

графитизации зависит от температуры отжига белого чугуна, времени вы-

держки, скорости охлаждения, состава исходного чугуна и других парамет-

ров. Чем больше время выдержки при отжиге и меньше скорость охлажде-

ния, тем полнее идет графитизация.

В зависимости от полноты графитизации ковкие чугуны могут иметь

три основных типа структур. Различают ковкие чугуны на ферритной, фер-

рито-перлитной и перлитной основах. От серых чугунов ковкие отличаются:

по микроструктуре – по форме графита, и по механическим свойствам – бо-

лее высокой прочностью и пластичностью.

В структуре ковкого чугуна на ферритной основе (образец 46) графит

представлен в форме хлопьев, (рис. 2.6, а

). Графит в ковких чугунах в форме

компактных хлопьевидных включений называют углеродом отжига.

Ковкий чугун имеет сравнительно однородную по сечению отливки

ферритную структуру металлической основы. Реже он может иметь структу-

ру феррито-перлитную или перлитную. Компактная форма графита придает

чугуну повышенные механические свойства по сравнению с серым чугуном.

Ковкий ферритный чугун мягче и пластичнее перлитного.

1. Сформулировать цель работы.

2. Изобразить метастабильную диаграмму состояния Fe–Fe

C, указать

расположение сплавов и построить кривые охлаждения для белых чугунов.

Описать процессы, происходящие при кристаллизации и последующем ох-

лаждении в серых чугунах.

3. Представить в порядке выполнения работы рисунки микроструктур

изученных чугунов. Под каждой микроструктурой указать увеличение мик-

роскопа, тип чугуна в зависимости от химического состава, металлической

основы и формы графита.

4. На микроструктуре указать структурные составляющие сплава.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНОВ

Требования к отчету



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-27-

5. Сделать выводы об общности и о принципиальных отличиях струк-

тур различных чугунов.

1. Какие сплавы относят к белым чугунам?

2. Какие структурные составляющие имеют доэвтектические, эвтекти-

ческие, заэвтектические белые чугуны?

3. Опишите строение ледебурита.

4. Какое превращение происходит в ледебурите ниже 727 °С?

5. Какие белые чугуны по составу и структуре используют для полу-

чения ковкого чугуна?

6. Как классифицируют серые чугуны по структуре основы?

7. Назовите особенности эвтектической кристаллизации в белых и се-

рых чугунах.

8. Какая фаза при кристаллизации серых чугунов является ведущей?

9. От чего зависит полнота графитизации серых чугунов и формиро-

вание структуры их металлической основы?

10. Какая диаграмма состояния описывает фазовый состав белых чу-

гунов и серых ферритных чугунов?

11. Какие чугуны имеют более высокий комплекс прочности и пла-

стичности: белые, серые или ковкие?

1. По стандартам и справочникам описать марки чугунов, их химиче-

ский состав, свойства и применение. Марки чугунов: СЧ 10, СЧ 20, СЧ 30,

СЧ 35, КЧ 30-6, КЧ 37-12, КЧ 45-7, КЧ 60-3, КЧ 70-2, ЧВГ 30, ЧВГ 40,

ЧВГ 45, ВЧ 35, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 80, ВЧ 100, ЧХ1, ЧХ28П, ЧХ9Н5, ЧХ16М2,

ЧХ32, ЧС5Ш, ЧС15М4, ЧЮХШ, ЧГ6С3Ш, ЧН11Г7Ш.

1. Лившиц, В. Г. Металлография / В. Г. Лившиц. – М. : Металлургия,

1990.– 236 с.

2. Материаловедение. Железоуглеродистые сплавы : учеб. пособие /

В. С. Биронт, А. А. Ковалева, Т. А. Орелкина, Л. С. Цурган; ГАЦМиЗ. –

Красноярск, 2002. – 128 с.

3. Лахтин, Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов /

Ю. М. Лахтин. – М. : Металлургия. –

1983. – 359 с.

4. Материаловедение. Формирование структуры в сплавах двухком-

понентных систем : учеб. пособие / В. С. Биронт, Т. А. Орелкина, В. Ю. Гур-

ская, В. И. Аникина; ГАЦМиЗ. – Красноярск, 2006. – 96 с.

5. Металлография реальных сплавов : метод. указания по выполнению

лабораторных работ / сост. В. Д. Сидоренко [и др.]; под ред. В. С. Биронта //

ГАЦМиЗ. – Красноярск, 1996. – 64 с.



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-28-

Цель работы: изучить структуру меди с примесями и сплавов на ее

основе в равновесном и неравновесном состояниях. Проанализировать фазо-

вые и структурные превращения при кристаллизации и в твердом состоянии.

Установить связь между диаграммой состояния соответствующих систем и

структурой сплава.

1. На световом микроскопе проанализировать структуру образцов из

меди с примесями O

, S, Bi, Pb, P, латуни и бронзы. Зарисовать изучаемую

структуру, указать марку сплава, химический состав, увеличение микроско-

па.

2. Изобразить диаграммы состояния, соответствующие системам ле-

гирования сплавов. Для каждого образца определить фазовые и структурные

составляющие, сопоставить их с диаграммой состояния, рассмотреть меха-

низм формирования структуры сплава при его получении в процессе кри-

сталлизации и последующем охлаждении до комнатной температуры.

3. Проанализировать, используя диаграммы состояния сплавов на ос-

нове меди, влияние различных примесей на механические и технологические

свойства меди. Провести сравнение литейных и деформируемых латуней и

бронз, сделать выводы о принципиальных отличиях структуры и свойств

данных сплавов.

Медь занимает второе место по объему выпуска после алюминия из-за

высокой электропроводности, теплопроводности, пластичности и достаточно

высокой коррозионной стойкости. Примеси в меди снижают пластичность,

электропроводность и теплопроводность, увеличивают электросопротивле-

ние, вызывают упрочнение меди, могут ухудшить технологические свойства

меди. Высокая пластичность меди в холодном и горячем состоянии позволя-

ет изготовлять из нее различные деформируемые полуфабрикаты (листы,

ленты, трубы, прутки, проволоку), что обусловливает широкое ее примене-

ние в различных областях промышленности как в чистом виде, так и в виде

сплавов.

Сплавы на основе меди по химическому составу делятся на латуни

(сплавы меди с цинком), бронзы (медные сплавы, не содержащие в качестве

основного легирующего компонента цинк и никель) и медно-никелевые

сплавы. По технологии производства медные сплавы подразделяют на ли-

тейные и деформируемые. Многие медные сплавы обладают высокими меха-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 МИКРОСТРУКТУРА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

Теоретическое введение



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-29-

ническими и технологическими свойствами, они коррозионностойки, имеют

высокую износостойкость и низкий коэффициент трения.

Образец 161 – медь чистая в отожженном состоянии. Структура: кри-

сталлы меди.

В зависимости от чистоты медь подразделяют на несколько марок:

М00, М0, М0б, М1б, M1, M1p, M2, М2р, М3, М3р (б – бескислородная медь,

р – раскисленная медь). Содержание примесей наименьшее наблюдается в

меди марки М00 (99,99 % Сu) и наибольшее – в МЗ (99,50 % Сu). В меди ма-

рок M1, M2, М3 содержание кислорода составляет 0,05-0,08 %. Раскисленная

медь отличается от обычных марок пониженным содержанием кислорода (не

более 0,01 %), хотя его и больше, чем в бескислородной меди (менее 0,001 %

О).

Микроструктура чистой меди в литом состоянии состоит из отдель-

ных кристаллов, форма и размеры которых зависят от условий кристаллиза-

ции. Отжиг литой меди не оказывает заметного влияния на микроструктуру.

После холодной деформации меди (например, прокатки или волочения) об-

разуется волокнистая структура. Под микроскопом границы вытянутых

вдоль главного направления деформации кристаллов практически не разли-

чимы. При отжиге в деформированной меди происходят рекристаллизацион-

ные процессы и волокнистая структура сменяется полиэдрической с боль-

шим числом двойников отжига, дающих в области шлифа ряд параллельных

полосок внутри зерен. Чем выше температура отжига и больше время вы-

держки, тем крупнее вырастают зерна. После горячей пластической дефор-

мации, если в процессе деформации успевает произойти рекристаллизация,

медь также имеет полиэдрическую структуру с большим количеством двой-

ников.

Образец 164 – медь с примесью кислорода. Структура: кристаллы Cu

и эвтектика (Cu + Cu

Образец 166 – медь с примесью серы. Структура: кристаллы Cu с

включениями по границам кристаллов сульфида меди Cu

S из эвтектики.

Образец 172 – сплав меди с фосфором. Структура: кристаллы Cu

P и

эвтектика (α + Cu

Образец 173 – медь с примесью свинца. Структура: кристаллы Cu и

включения Pb из эвтектики.

Образец 174 – медь с примесью висмута. Структура: кристаллы Cu и

прожилки Bi из эвтектики по границам кристаллов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 МИКРОСТРУКТУРА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

Структура меди с примесями



Структура железоуглеродистых и цветных сплавов. Лаб. практикум

-30-

Кислород – это наиболее часто встречающаяся примесь. Он легко

попадает в медь при плавке. Растворимость кислорода в твердой меди со-

ставляет 0,011 % (по массе) при 1065 °С, поэтому при очень малых концен-

трациях кислорода в меди (3,4 % Cu

O или 0,39 % О

) образуется эвтектика

(Cu + Cu

(рис. 3.1).

В доэвтектических сплавах имеются две структурные оставляющие:

первичные кристаллы меди (т.к. разбавленный твердый раствор, содержащий

тысячные доли процента кислорода, можно считать практически чистой ме-

дью) и эвтектика, состоящая из меди и оксида меди. Эвтектический сплав со-

стоит из одной структурной составляющей – эвтектики (Cu + Cu

. Заэв-

тектические сплавы содержат две структурные составляющие – первичные

кристаллы оксида меди (Cu

O), часто имеющие вид хорошо развитых денд-

ритов, и эвтектику. Кислород в меди неблагоприятно влияет на пластические

свойства, технологичность, коррозионную стойкость меди. В небольших ко-

личествах содержание кислорода не вызывает охрупчивания, а частицы Cu

при прокатке равномерно распределяются во всем объеме меди. Включения

O под микроскопом на нетравленом шлифе имеют серовато-голубоватый

цвет. В поляризованном свете они окрашиваются в красный цвет.

При отжиге в атмосфере, содержащей водород, возможно развитие

«водородной болезни».

Рис. 3.1. Диаграмма состояния

медь–кислород