Быконя Л.А. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Задания к лабораторной работе



Материаловедение. Лаб. практикум -61-

22. Указать структуру, маркировку и свойства углеродистых инстру-

ментальных сталей. Привести примеры.

23. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения при нагреве

и построить кривую нагрева для сплава, содержащего 0,5 % С в интервале

температур от 0 до 1 600 °С.

24. Какие стали называются доэвтектоидными, эвтектоидными, заэв-

тектоидными? Какова их структура и свойства?

25. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения, происхо-

дящие в сплаве, содержащем 0,18 % С, при его медленном нагревании от 0

до 1 600 °С. Построить для него кривую нагрева. Что это за сплав?

1. Привести классификацию углеродистой стали по назначению и ка-

честву.

2. Как изменяются структура, механические и технологические свойства

стали при увеличении количества углерода? Привести конкретные примеры.

3. Перечислить все структурные составляющие, встречающиеся в ста-

лях, и дать характеристику их свойств.

4. Какие стали называются доэвтектоидными, эвтектоидными, заэв-

тектоидными? Какова их структура и свойства?



Материаловедение. Лаб. практикум -62-

Изучить микроструктуру различных видов чугунов: белого, серого,

ковкого, высокопрочного.

Микроскоп МИМ-7; комплект микрошлифов чугунов.

Чугуны широко используются в машиностроении, что обусловлено

экономической целесообразностью их применения и хорошими технологиче-

скими свойствами: они пригодны для отливки самых различных деталей, мо-

гут обрабатываться резанием, изменять свое строение и свойства в процессе

термической обработки.

В зависимости от того, в каком состоянии находится углерод, в свя-

занном или свободном, чугуны подра

зделяются на белые и серые. К послед-

ним относятся: серые, высокопрочные, ковкие. Белый чугун получил свое на-

звание по матово-белому цвету излома. Цвет объясняется присутствием зна-

чительного количества цементита Fе

С, который образуется при быстром ох-

лаждении сплава (охлаждение в сырых земляных формах, металлических

формах-кокилях).

В белом чугуне присутствует эвтектика – ледебурит, состоящая из

перлита и цементита (рис. 7.1), по которой отличают белые чугуны от угле-

родистых сталей с помощью микроскопа. В белых чугунах практически весь

углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита.

а б

Рис. 7.1. Эвтектический белый чугун: а – фотография микроструктуры;

б – схема зарисовки

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -63-

Эвтектике свойственна повышенная хрупкость, поэтому чугуны, в от-

личие от сталей, не подвергаются прокатке, ковке, штамповке.

Из-за сравнительно низкой температуры кристаллизации чугунов на-

блюдается малый пригар поверхности формы к отливке. Вследствие высокой

жидкотекучести они хорошо заполняют формы.

Перечисленные свойства чугунов определяют использование их в ка-

честве литейных сплавов.

В зависимости от содержан

ия углерода различают три класса белых

чугунов: доэвтектический, с содержанием углерода менее 4,3 %, эвтектиче-

ский – с 4,3 %, заэвтектический – более 4,3 %

Доэвтектический чугун включает три структурных составляющих:

перлит, ледебурит (Л), вторичный цементит (рис. 7.2

). Перлит наблюдается

под микроскопом в виде темных зерен, а ледебурит – в виде отдельных уча-

стков, колоний. Каждый такой участок представляет собой смесь мелких ок-

ругленных или вытянутых темных зерен перлита, равномерно расположен-

ных в цементитной основе.

а б

Рис. 7.2. Доэвтектический белый чугун: а – фотография микроструктуры;

б – схема зарисовки

С увеличением концентрации углерода в доэвтектическом чугуне до-

ля ледебурита в структуре увеличивается постепенно, за счет уменьшения

участков, занимаемых перлитом и вторичным цементитом. Вторичный це-

ментит наблюдается в виде светлых зерен.

Эвтектический чугун (рис. 7

.1) представляет собой равномерную ме-

ханическую смесь перлита с цементитом – ледебурит.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -64-

а б

Рис. 7.3. Заэвтектический белый чугун: а – фотография микроструктуры;

б – схема зарисовки

Заэвтектический чугун (рис. 7.3

) характеризуется двумя структурными

составляющими – первичным цементитом и ледебуритом. С увеличением со-

держания углерода количество первичного цементита в структуре возрастает.

Серые, высокопрочные, ковкие чугуны характеризуются тем, что весь

углерод в них или часть его находится в свободном состоянии в виде графи-

та, равномерно распределенного в металлической основе.

Формы выделения графита (Г

) у них различные. По структуре метал-

лической основы эти чугуны могут быть:

а) ферритными (из феррита и графита);

б) феррито–перлитными (из феррита, перлита, графита);

в) перлитными (из перлита, графита).

Таким образом, их структура представляет собой металлическую осно-

ву, похожую на доэвтектоидную и эвтектоидную сталь, пронизанную гра-

фитными включениями (рис. 7.4

Металличе-

ская основа

Форма графитных включений

Пластинчатая Хлопьевидная Шаровидная

Феррит

Перлит

Рис. 7.4. Форма графитных включений

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -65-

На графитизацию чугуна существенное влияние оказывает количество

присутствующих в нем элементов, наличие центров кристаллизации графита

и скорость охлаждения.

Все элементы, вводимые в чугун, делятся на графитообразующие (С, Si,

Al, В, Br и др.) и карбидообразующие (Мn, Сr, V, W, Ti, Mo и др.).

Скорость охлаждения оказывает существенное влияние на графитиза-

цию чугуна. Чем меньше скорость охлаждения, тем полнее протек

ают про-

цессы графитизации.

В серых чугунах графит присутствует в форме пластинок (чешуек)

(рис. 7.4

Свойства серых чугунов при одинаковой металлической основе зави-

сят от размеров, количества и распределения графитных включений. Их

можно рассматривать как трещины, поры, внутренние разрезы, нарушающие

целостность металлической основы.

Чем больше графита в чугуне, чем грубее его включения и чем мень-

ше они изолированы друг от друга, тем ниже качество чугуна.

С увеличением ко

личества перлита при одной и той же форме гра-

фитных включений механические свойства (прочность, твердость) чугуна

повышаются.

Серые чугуны но ГОСТ 1412-85 маркируются буквами: С – серый и Ч –

чугун, после буквы следуют цифры, указывающие величину сопротивления

при растяжении – σ

(табл. 7.1).

Таблица 7.1

Свойства серых чугунов по ГОСТ 1412-85

Марка чугуна

Твердость по HB при толщине

стенки отливки 15 мм

Временное сопротивление при растя-

жении σ

, МПа (кгс/мм

), не менее

СЧ10 1 900 100 (10)

СЧ15 2 100 150 (15)

СЧ18 – 180 (18)

СЧ20 2 300 200 (20)

СЧ21 – 210 (21)

СЧ24 – 240 (24)

СЧ25 2 450 250 (25)

СЧ30 2 600 300 (30)

СЧ35 2 750 350 (35)

Модифицированные чугуны получают введением в расплав специаль-

ных примесей – модификаторов, так как процесс графитизации (форма выде-

ления графита) зависят от числа центров кристаллизации. Этими центрами

могут быть мельчайшие нерастворенные частицы окислов.

Вводят в чугун модификаторы перед разливкой, обычно это: ферроси-

лиций, алюминий, силико-кальций, магний и др.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -66-

Их назначение: получить мелкие, изолированные, равномерно распре-

деленные включения графита, изменить форму графитных включений, полу-

чить перлитную металлическую основу.

Высокопрочный чугун получают из обычного серого перлитного чу-

гуна двойным модифицированием: добавкой магния и ферросилиция (рис. 7.4

Под действием магния графит приобретает форму шаров (глобулей), кроме

того, магний повышает прочность металлической основы.

По ГОСТ 7293–85 высокопрочные чугуны маркируются буквами ВЧ и

цифрой – σ

(табл. 7.2).

Таблица 7.2

Свойства высокопрочных чугунов по ГОСТ 7293-85

Марка

чугуна

Временное сопротивление

при растяжении σ

, МПа

(кгс/мм

) не менее

Условный предел

текучести σ

0,2

МПа (кгс/мм

)

Относительное

удлинение

δ, %, не менее

Твердость

по Бринел-

лю, HB

не менее

ВЧ35 350 (35) 220 (22) 22 1 400–1 700

ВЧ40 400 (40) 250 (25) 15 1 400–2 020

ВЧ45 450 (45) 310 (31) 10 1 400–2 250

ВЧ50 500 (50) 320 (32) 7 1 530–2 450

ВЧ60 600 (60) 370 (37) 3 1 920–2 770

ВЧ70 700 (70) 420 (42) 2 2 280–3 020

ВЧ80 800 (80) 480 (48) 2 2 480–3 510

ВЧ100 1 000 (100) 700 (70) 2 2 700–3 600

Ковкие чугуны получают отжигом отливок, изготовленных из белого

чугуна. В процессе отжига цементит, входящий в структуру белого чугуна,

распадается на железо, и графит, имеющий хлопьевидную форму (при за-

твердевании отливок – обычного серого чугуна – такую форму графит не

принимает). Хлопьевидная форма графита улучшает пластические свойства

чугуна: такой чугун не разрешается при ударах и изгибе.

В з

ависимости от строения металлической основы различают перлит-

ный, феррито-перлитный и ферритный ковкие чугуны. Последний из них

наиболее пластичен, твердость его минимальна. Маркируется ковкий чугун

буквами: К – ковкий, Ч – чугун и цифрами. Первые две цифры – σ

, вторые –

относительное удлинение δ % (табл. 7.3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -67-

Таблица 7.3

Свойства ковкого чугуна по ГОСТ 1215-79

Марка ковкого чу-

гуна ферритного и

перлитного класса

Временное сопротивление

разрыву, МПа (кгс/мм

)

Относительное уд-

линение δ, %

Твердость по

Бринеллю, HB

не менее

КЧ30-6 294 (30) 6 1 000–1 630

КЧ33-8 323 (33) 8 1 000–1 630

КЧ35-10 333 (35) 10 1 000–1 630

КЧ37-12 362 (37) 12 1 100–1 630

КЧ45-7 441 (45) 7 1 500–2 070

КЧ50-5 490 (50) 5 1 700–2 300

КЧ55-4 539 (55) 4 1 920–2 410

КЧ60-3 588 (60) 3 2 000–2 690

1. Получить коллекцию микрошлифов различных чугунов в равновес-

ном состоянии до и после травления 4 %-м раствором азотной кислоты в

спирте.

2. Изучить и зарисовать микроструктуру всех микрошлифов.

3. По наличию и форме графитных включений определить вид чугуна.

4. Определить структуру металлической основы чугунов, подвергну-

тых травлению и указать на микрошлифе структурные составляющие.

Отчет по лабораторной должен включать:

1) зарисовки всех микрошлифов полученной коллекции (см. «Порядок

выполнения работы»);

2) ответы на вопросы индивидуального задания.

1. Сравнить структуру и свойства серых и ковких чугунов.

2. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения при охлажде-

нии и построить кривую охлаждения в интервале температур от 1 600 до 0 °С

для сплава, содержащего 3,2 % С.

3. Как производится модифицирование серых чугунов? Какую струк-

туру и свойства они имеют до и после модифицирования?

4. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения при охлажде-

нии и построить кривую охлаждения в интервале температур от 1 600 до 0 °С

для сплава, содержащего 5,2 % С.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Задания к лабораторной работе



Материаловедение. Лаб. практикум -68-

5. Как получают высокопрочные чугуны? Указать их структуру, свой-

ства и маркировку.

6. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения при охлажде-

нии и построить кривую охлаждения в интервале температур от 1 600 до 0 °С

для сплава эвтектического состава.

7. Как построена эвтектика и эвтектоид в сером и белом чугунах?

8. По диаграмме железо-углерод описать изменение микроструктуры

доэвтектического чугуна при медленном и быстром охлаждении от 1 500 °С

до комнатной температуры. Состав чугуна выберите сами.

9. Привести класси

фикацию серых чугунов по их микроструктуре и

дать характеристику их механических свойств.

10. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения при охлаж-

дении и построить кривую охлаждения в интервале температур от 1 600 до 0 °С

для сплава, содержащего 4,6 % С.

11. Указать структурные составляющие, получаемые в сплавах с со-

держанием углерода от 2,0 % до 6,67 % при комнатной температуре и дать

характеристику их механических свойств.

12. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения при охлаж-

дении и построить кривую охлаждения в интервале температур от 1 300 до 0 °С

для сплава, содержащего 4,3 % С.

13. Перечислить структурные составляющие, встречающиеся в белых

чугунах и дать характеристику их механических свойств.

14. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения при охлаж-

дении и построить кривую охлаждения для сплава, содержащего 2,7 % С в

интервале температур от 1 600 до 0 °С.

15. Как влияет структура серого чугуна на его свойства?

16. По диаграмме железо–углерод описать изменение микроструктуры

заэвтектического чугуна при медленном и быстром охлаждении от 1 600 °С

до комнатной температуры. Состав чугуна выберите сами.

17. Перечислите все формы, в которых может находиться углерод в

сталях и чугунах. Пользуясь диаграммой железо–углерод, привести примеры

соответствующих микроструктур.

18. Вычер

тить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращение при охлаж-

дении и построить кривую охлаждения в интервале температур от 1 600 до 0 °С

для сплава, содержащего 3,8 % С.

19. Описать влияние размеров и формы графитных включений на

свойства чугуна.

20. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения при охлаж-

дении и построить кривую охлаждения в интервале температур от 1 600 до 0 °С

для сплава, содержащего 6 % С.

21. Как получают ковкий чугун? Указать его структуру, свойства и

маркировку.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Задания к лабораторной работе



Материаловедение. Лаб. практикум -69-

22. По диаграмме железо–углерод описать превращения, происходя-

щие при медленном и быстром охлаждении в сплаве эвтектического состава

в интервале температур от 1 300 до 0 °С.

23. В чем различие между белыми и серыми чугунами (структура, ме-

ханические свойства)?

24. Вычертить диаграмму Fe–Fe

C, описать превращения при охлаж-

дении и построить кривую охлаждения для сплава, содержащего 3 % С в ин-

тервале температур от 1 600 до 0 °С.

25. Сравнить структуру и свойства серых и высокопрочных чугунов.

1. Чем отличается структура и свойства серых и ковких чугунов?

2. Как получают высокопрочные чугуны? Указать их структуру, свой-

ства и маркировку.

3. Как построена эвтектика и эвтектоид в белом чугуне?

4. Как влияет структура серого чугуна на его свойства?

5. Как влияют размеры и форма графитных

включений на свойства чугунов?

6. В чем различие между белым и серым чугунами (структура, меха-

нические свойств

а)?

7. Чем отличается структура и свойства серых и высокопрочных чугунов?



Материаловедение. Лаб. практикум -70-

Ознакомиться с технологическим процессом закалки стали, изучить

влияние температуры нагрева и скорости охлаждения на структуру и свойст-

ва закаленной стали

Камерная печь, щипцы, набор отожженных образцов из стали 45, на-

бор микрошлифов, микроскоп МИМ-7, твердомер ТШ для определения твер-

дости по методу Бринелля и твердомер ТК для определения твердости по ме-

тоду Роквелла.

Термическая (тепловая) обработка сталей является важной состав-

ляющей технологического процесса изготовления стальных изделий. Ее цель –

создание требуемых механических и физико-химических свойств, необходи-

мых при эксплуатации стальных изделий различного назначения, а также по-

вышение технологичности заготовок при изготовлении из них изделий.

К предварительной и промежуточной термической обработке загото-

вок относят различные виды

отжига. Окончательной термической обработ-

кой деталей машин из углеродистых и низколегированных сталей чаще всего

являются

закалка и отпуск. Они позволяют значительно повысить все меха-

нические свойства сталей, важнейшими из которых являются предел текуче-

сти и предел выносливости. Чем выше значение пределов текучести и вынос-

ливости, тем выше могут быть принятые значения допускаемых напряжений,

тем меньше будет масса деталей машин и масса самих машин.

Качеством окончательной термической обработки режущих инстру-

ментов, штампов, калибров определяется их износостойкость, твердость,

предел упругости, размероустойчивость, от чего зависит производительность

труда станочников, штамповщиков, слесарей.

Закалка – операция термической обработки, включающая нагрев ста-

ли выше темп

ературы фазового превращения, выдержку при этой температу-

ре и ускоренное охлаждение, в результате чего формируется неравновесная

структура, упрочняющая сталь.

В процессе ускоренного охлаждения при превращении γ-твердого

раствора в α-твердый раствор углерод остает

ся в твердом растворе, заметно

искажая кристаллическую решетку α

-Fe. Поэтому структура закаленной ста-

ли – мартенсит – является пересыщенным твердым раствором внедрения уг-