Порядок выполнения работы

Каждый студент получает коллекцию микрошлифов углеродистых сталей в равновесном отожженном состоянии, протравленных 4 %–ным раствором азотной кислоты о спирте.

В работе нужно:

1) изучить и зарисовать микроструктуру каждого микрошлифа;

2) определить структурные составляющие стали

и их объемную долю;

3) рассчитать по объемной доле структурных составляющих процентное содержание углерода в заданной стали.

Количество углерода определяют по формулам:

для доэвтектоидной стали, %, С = f_п×0,8 %;

для заэвтектоидной стали, %, С = f_п×0,8 % + f_ц×6,67 %,

где f_ц – площадь, занятая цементитом;

f_п – площадь, занятая перлитом.

По найденному значению количества углерода и в соответствии с приложением 1 в каждом образце определяют марку стали.

Содержание отчета по лабораторной работе

1. Зарисовка всех микрошлифов полученной коллекции.

2. Определение марки стали по рассчитанному количеству углерода для всех образцов.

3. Ответ на вопросы индивидуального задания.

Контрольные вопросы

1. Привести классификацию углеродистой стали по назначению и качеству.

2. Как изменяются структура, механические и технологические свойства стали при увеличении количества углерода? Привести конкретные примеры.

3. Перечислить все структурные составляющие, встречающиеся в сталях, и дать характеристику их свойств.

4. Какие стали называются доэвтектоидными, эвтектоидными, заэвтектоидными? Какова их структура и свойства?

Задания к лабораторной работе

1. Вычертить диаграмму Fe–Fe₃C, построить кривую охлаждения и описать процесс кристаллизации стали марки 20 из области жидкого состояния до комнатной температуры.

2. Привести классификации углеродистой стали по назначению и качеству.

3. Вычертить диаграмму Fe–Fe₃C, построить кривую охлаждения и описать процесс кристаллизации стали марки У12 из области жидкого состояния до комнатной температуры.

4. Привести классификацию и маркировку по ГОСТу углеродистых конструкционных сталей. Дать их характеристику.

5. Вычертить диаграмму Fe–Fe₃C, описать превращения, протекающие в сплаве железа с 0,5 % С при медленном охлаждении от 1600 °С до комнатной температуры. Построить для данного сплава кривую охлаждения. Что это за материал?

6. Привести классификацию и маркировку по ГОСТу углеродистых инструментальных сталей. Дать их характеристику.

7. Вычертить диаграмму Fe–Fe₃C, описать превращения, протекающие в сплаве с 1,5 % С при медленном нагревании от 0 °С до 1600 °С. Построить для данного сплава кривую нагревания.

8. Указать структурные составляющие в сплавах с содержанием углерода до 1,7 % при комнатной температуре и дать их характеристику.

9. Вычертить диаграмму состояния Fe–Fe₃C, описать превращения, происходящие в сплаве с 1,3 % С при медленном охлаждении от 1600 °С до комнатной температуры. Построить для данного сплава кривую охлаждения.

10. Полиморфизм железа. Привести кривые охлаждения и нагрева для железа и дать характеристику всех модификаций железа.

11. Вычертить диаграмму Fe–Fe₃C, описать превращения, протекающие в сплаве с 0,8 % С при медленном нагревании от 0 °С до 1600 °С. Построить кривую нагрева для данного сплава. Что это за сплав?

12. Описать механизм и основные параметры процесса кристаллизации.

13. Вычертить диаграмму Fe–Fe₃C, описать превращения при нагреве и построить кривую нагрева для сплава, содержащего 1,0 % С в интервале температур от 0 °С до 1600 °С.

14. Как изменяются структура, механические и технологические свойства стали при увеличении количества углерода. Привести конкретные примеры.

15. Вычертить диаграмму Fe–Fe₃C, описать превращения при нагревании и построить кривую нагрева для сплава, содержащего 0,6 % С в интервале температур от 0 °С до 1600 °С.

16. Перечислить все структурные составляющие, встречающиеся в сталях, и дать характеристику их свойств.

17. Вычертить диаграмму Fe–Fe₃C, описать превращения, происходящие в стали марки У8 при медленном ее охлаждении от 1600 °С до комнатной температуры. Построить для нее кривую охлаждения.

18. Указать структуру, маркировку и свойства углеродистых конструкционных сталей. Привести примеры.

19. Вычертить диаграмму Fe–Fe₃C, описать превращения, происходящие в стали марки У10 при медленном ее нагревании от 0 °С до 1600 °С. Построить для нее кривую нагрева.

20. Описать строение и дать характеристику свойств структурных составляющих стали: феррита, аустенита, перлита, цементита.

21. Вычертить диаграмму Fe–Fe₃C, описать превращения при охлаждении и построить кривую охлаждения для сплава, содержащего 0,35 % С. Что это за сплав?

22. Указать структуру, маркировку и свойства углеродистых инструментальных сталей. Привести примеры.

23. Вычертить диаграмму Fe–Fe₃C, описать превращения при нагреве и построить кривую нагрева для сплава, содержащего 0,5 % С в интервале температур от 0 °С до 1600 °С.

24. Какие стали называются доэвтектоидными, эвтектоидными, заэвтектоидными? Какова их структура и свойства?

25. Вычертить диаграмму Fe–Fe₃C, описать превращения, происходящие в сплаве, содержащем 0,18 % С, при его медленном нагревании от 0 °С до 1600 °С. Построить для него кривую нагрева. Что это за сплав?

Лабораторная работа № 2

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Цель: изучить микроструктуру различных видов чугунов: белого, серого, ковкого, высокопрочного.

Приборы, материалы и оборудование

1. Микроскоп МИМ-7.

2. Комплект микрошлифов чугунов.

Краткие теоретические сведения

Чугуны широко используются в машиностроении, что обусловлено экономической целесообразностью их применения и хорошими технологическими свойствами: они пригодны для отливки самых различных деталей, могут обрабатываться резанием, изменять свое строение и свойства в процессе термической обработки.

В зависимости от того, в каком состоянии находится углерод, в связанном или свободном, чугуны подразделяются на белые и серые. К последним относятся: серые, высокопрочные, ковкие. Белый чугун получил свое название по матово-белому цвету излома. Цвет объясняется присутствием значительного количества цементита Fе₃С, который образуется при быстром охлаждении сплава (охлаждение в сырых земляных формах, металлических формах-кокилях).

В белом чугуне присутствует эвтектика – ледебурит, состоящая из перлита и цементита (рис. 5.1), по которой отличают белые чугуны от углеродистых сталей с помощью микроскопа. В белых чугунах практически весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита.

Эвтектике свойственна повышенная хрупкость, поэтому чугуны, в отличие от сталей, не подвергаются прокатке, ковке, штамповке.

Из-за сравнительно низкой температуры кристаллизации чугунов наблюдается малый пригар поверхности формы к отливке. Вследствие высокой жидкотекучести они хорошо заполняют формы.

а б Рис. 5.1. Эвтектический белый чугун: а – фотография микроструктуры; б – схема зарисовки

Перечисленные свойства чугунов определяют использование их в качестве литейных сплавов.

В зависимости от содержания углерода различают три класса белых чугунов: доэвтектический, с содержанием углерода менее 4,3 %, эвтектический – с 4,3 %, заэвтектический – более 4,3 %.

а б Рис. 5.2.. Доэвтектический белый чугун: а – фотография микроструктуры; б – схема зарисовки

Доэвтектический чугун включает три структурных составляющих: перлит, ледебурит (Л), вторичный цементит (рис. 5.2). Перлит наблюдается под микроскопом в виде темных зерен, а ледебурит наблюдается в виде отдельных участков, колоний. Каждый такой участок представляет собой смесь мелких округленных или вытянутых темных зерен перлита, равномерно расположенных в цементитной основе.

С увеличением концентрации углерода в доэвтектическом чугуне доля ледебурита в структуре увеличивается постепенно, за счет уменьшения участков, занимаемых перлитом и вторичным цементитом. Вторичный цементит наблюдается в виде светлых зерен.

Эвтектический чугун (рис. 5.1) представляет собой равномерную механическую смесь перлита с цементитом – ледебурит.

Заэвтектический чугун (рис. 5.3) характеризуется двумя структурными составляющими – первичным цементитом и ледебуритом. С увеличением содержания 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 графита, равномерно распределенного в металлической основе.

а б Рис. 5.3. Заэвтектический белый чугун: а – фотография микроструктуры; б – схема зарисовки

Формы выделения графита (Г) у них различные. По структуре металлической 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 основу, похожую на доэвтектоидную и эвтектоидную сталь, пронизанную графитными включениями (рис. 5.10).

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 графитизацию чугуна. Чем меньше скорость охлаждения, тем полнее протекают процессы графитизации.

В серых чугунах графит присутствует в форме пластинок (чешуек) (рис. 27).

Свойства серых чугунов при одинаковой металлической основе зависят 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 меньше они изолированы друг от друга, тем ниже качество чугуна.

С увеличением количества перлита при одной и той же форме графитных 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 – _в (табл. 5.1).

Модифицированные чугуны получают введением в расплав специальных примесей – модификаторов, так как процесс графитизации (форма выделения графита) зависят от числа центров кристаллизации. Этими центрами могут быть мельчайшие нерастворенные частицы окислов.

Вводят в чугун модификаторы перед разливкой, обычно это: ферросилиций, алюминий, силико-кальций, магний и др.

Металлическая основа	Форма графитных включений
	Пластинчатая	Хлопьевидная	Шаровидная
Феррит
Феррит + Перлит
Перлит

Рис. 5.4. Форма графитных включений

Их назначение: получить мелкие, изолированные, равномерно распределенные включения графита, изменить форму графитных включений, получить перлитную металлическую основу.

Высокопрочный чугун получают из обычного серого перлитного чугуна двойным модифицированием: добавкой магния и ферросилиция (рис. 5.4). 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 – _в (табл. 5.2).

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 затвердевании отливок – обычного серого чугуна – такую форму графит не принимает). Хлопьевидная форма графита улучшает пластические свойства чугуна: такой чугун не разрешается при ударах и изгибе.

Таблица 5.1

Свойства серых чугунов по ГОСТ 1412–85

Марка чугуна	Твердость по HB при толщине стенки отливки 15 мм	Временное сопротивление при растяжении в МПа (кгс/мм^2), не менее
СЧ10	190	100(10)
СЧ15	210	150(15)
СЧ18	–	180(18)
СЧ20	230	200(20)
СЧ21	–	210(21)
СЧ24	–	240(24)
СЧ25	245	250(25)
СЧ30	260	300(30)
СЧ35	275	350(35)

В зависимости от строения металлической основы различают перлитный, 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 – _в, вторые – относительное удлинение  % (табл.5.3).

Таблица 5.2

Свойства высокопрочных чугунов по ГОСТ 7293–85

	Марка чугуна		Временное сопротивление при растяжениив МПа (кгс/мм^2) не менее		Условный предел текучести 0,2, МПа (кгс/мм^2)		Относительное удлинение %, не менее		Твердость по Бринеллю, HB
			не менее
ВЧ35		350(35)		220(22)		22		140–170
ВЧ40		400(40)		250(25)		15		140–202
ВЧ45		450(45)		310(31)		10		140–225
ВЧ50		500(50)		320(32)		7		153–245
ВЧ60		600(60)		370(37)		3		192–277
ВЧ70		700(70)		420(42)		2		228–302
ВЧ80		800(80)		480(48)		2		248–351
ВЧ100		1000(100)		700(70)		2		270–360

Таблица 5.3

Свойства ковкого чугуна по ГОСТ 1215–79

Марка ковкого чугуна ферритного и перлитного класса	Временное сопротивление разрыву МПа (кгс/мм^2), не менее	Относительное удлинение %, не менее	Твердость по Бринеллю, HB
КЧ30–6	294(30)	6	100–163
КЧ33–8	323(33)	8	100–163
КЧ35–10	333(35)	10	100–163
КЧ37–12	362(37)	12	110–163
КЧ45–7	441(45)	7	150–207
КЧ50–5	490(50)	5	170–230
КЧ55–4	539(55)	4	192–241
КЧ60–3	588(60)	3	200–269