1.4. Порядок выполнения работы

1) Исследовать под микроскопом структуру доэвтектоидной, эвтектоид-ной и заэвтектоидной стали. Определить структурные составляющие.

2) Изучить механические свойства структурных составляющих.

3) Определить по структуре доэвтектоидной стали процентное содержание углерода.

4). По содержанию углерода определить марку качественной стали (см. табл. 2.3), указать ее химический состав, механические свойства и применение.

1.5. Содержание отчета

В отчет должны быть включены:

1) схематичный рисунок структуры стали в квадрате со стороной 40 мм с обозначением структурных составляющих (см. Рис.1 а, б);

2) характеристика структурных составляющих с указанием механических свойств;

3) характеристика стали по всем признакам классификации, содержание углерода и постоянных примесей, ее структура, марка, механические свойства и назначение (с примерами).

1.6. Вопросы для самоконтроля

1) Перечислить восемь признаков классификации сталей.

2) Назвать виды стали, их различие в химическом составе, свойства, пре­имущества и недостатки.

3) Что называется порогом хладноломкости?

4) Структурные составляющие углеродистых сталей, их характеристика и механические свойства.

5) Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества, их ха­рактеристика и маркировка.

6) Углеродистые качественные конструкционные стали, их группы, харак­теристика, маркировка.

7) Какие качественные конструкционные стали выпускаются кипящими, полуспокойными и спокойными, какие только спокойными?

8) Классификация и маркировка углеродистых инструментальных сталей, их структура.

Лабораторная работа 2

МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ЧУГУНОВ

Цель работы – изучить структуру, классификацию, маркировку, особенности получения и области применение чугунов в машиностроении.

2.1 Общие сведения

Чугун - важнейший машиностроительный материал для литейного произ­водства. В зависимости от состояния углерода различают белый чугун, в котором весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита (структура его состоит из двух фаз – Ф + Ц). Этот чугун твердый, хрупкий и имеет ограниченное применение.

Отбеленными называют чугунные отливки, в которых поверхностные слои имеют структуру белого (половинчатого) чугуна, сердцевина - серого чугуна. Высокая твердость поверхности (500 НВ) обеспечивает хорошую сопро­тивляемость износу, поэтому из отбеленного чугуна отливают валки листопрокатных станов, шары мельниц и т. п.

Чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью нахо­дится в свободном состоянии в виде графита, называется серым.

Механические свойства этого чугуна зависят от его структуры, главным образом от графитной составляющей. Чугун можно рассматривать как сталь, содержащую большое количество микропор, заполненных графитом – графитных включений, которые играют роль надрезов и пустот. Следовательно, механические свойства будут зависеть от количества, размеров и характера распределений включений графита.

В зависимости от формы графитных включений и условий их образования различают чугуны серые, высокопрочные и ковкие (рис. 2).

2.1.1 Серый чугун с пластинчатым графитом маркируется (согласно стандарту) буквами СЧ, после букв ставятся цифры, указывающие среднее значение пре­дела прочности при растяжении σ_в, МПа∙10^-1. Механические свойства и структура марок этого чугуна приведены в табл.2.1.

Ферритные и феррито-перлитные чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25с крупными или средними пластинками графита используют для слабо- или средне нагруженных деталей (строительные колонны, фундаментальные плиты, корпуса ре­дукторов, насосов и т. п.). В ферритном чугуне СЧ10 зерна феррита разобщены пластинками графита, снижающими прочность сплава, и, как надрезы, значительно уменьшают его пластичность.

Феррито-перлитные чугуны имеют более высокую прочность и твердость, так как в их структуре меньше графита и присутствует более прочная составляющая – перлит.

Перлитные чугуны, СЧ30, СЧ35 применяют для ответствен­ных деталей, работающих при высоких статических (иногда динамических) нагрузках (маховики, гильзы цилиндров, блоки двигателей, крупные шестерни и т. п.). Структура этих чугунов состоит из перлита и мелкопластинчатого графита.

Рис.2. Классификация чугуна по структуре (схема)

Широкое колебание значений предела прочности объясняется размером, формой и характером распределения пластинок графита, а также размером зерен перлита. Такую структуру чугун получает в результате модифицирования. Модифицирование производится введением в расплав кремния в виде ферросилиция и силикокальция. При этом чугун очищается от окислов и газов, измельчается его структура и повышаются механические свойства (чугуны с перлитной основой и мелкопластинчатым графитом называют серыми модифицированными или высококачественными).

Таблица 2.1

Механические свойства и структура марок серого чугуна

Марка	σв, МПа	δ, %	НВ, МПа	Структура
Серый чугун (ГОСТ 1412-85)
СЧ10	100	-	1900-1560	Ф+Г
СЧ15	150	-	1630-2100	Ф+Г
СЧ20	200	-	1700-2300	Ф+П+Г
СЧ25	250	-	1800-2500	Ф+П+Г
СЧ30	300	-	1970-2600	П+Г
СЧ35	350	-	2200-2750	П+Г

2.1.2 Высокопрочный чугун с шаровидным графитом маркируется буквами ВЧ, а цифрами указываются предел прочности при растяжении. Чугуны ВЧ60, ВЧ70 имеют перлитную металлическую основу; ВЧ 45, ВЧ50 – перлитно-ферритную; ВЧ35, ВЧ40 – ферритную основу и, следовательно, более высокую пластичность.

Высокопрочный чугун получают введением в чугун двух модификаторов: кремния и магния (или церия). Под влиянием магния графит принимает не пластинчатую, а шаровидную форму, меньше ослабляет металлическую основу чугуна и не является активным концентратором напряжений. Его характеристики приведены в табл. 2.2:

Таблица 2.2

Механические свойства и структура марок высокопрочного чугуна

Марка	σв, МПа	δ, %	НВ, МПа	Структура
Высокопрочный чугун (ГОСТ 7293-85)
ВЧ35	350	22	1400-1700	Ф+Г
ВЧ 40	400	15	1400 - 2020	Ф+Г
ВЧ45	450	10	1400-2250	Ф+П+Г
ВЧ 50	500	7	1530 - 2450	Ф+П+Г
ВЧ60	600	3	1920-2270	П+Г
ВЧ 70	700	2	228 0- 3020	П+Г
ВЧ80	800	2	2480-3510	П+Г

2.1.3 Ковким называется чугун с хлопьевидным графитом, который получается в результате специального графитизирующего отжига (томления) отливок из белого доэвтектического чугуна.

Химический состав белого чугуна, отжигаемого на ковкий, содержит углерод (2,6 – 3,0 %) и кремний (0,8 – 1,5 %). Более низкое содержание углерода способствует повышению пластичности, так как при этом уменьшается количество графита, выделяющегося при отжиге. Пониженное содержание кремния исключает выделение пластинчатого графита в отливках при их кристаллизации в форме.

Схема образования структуры чугуна при отжиге приведена на рис. 4. При нагреве белого чугуна (П + Л + Ц) выше линии PSK (критическая точка Ас₁) образуется двухфазная структура – аустенит и цементит; длительная выдержка (6 – 8 ч) выше 960С приводит к распаду цементита и образованию хлопьев графита (первая стадия графитизации), структура чугуна – А + Г. Охлаждение его после первой стадии графитизации до комнатной температуры обеспечивает получение перлитного ковкого чугуна с повышенной прочностью, износостойкостью, но пониженной пластичностью.

Пластичность этого чугуна повышают за счет увеличения количества феррита в результате проведения второй стадии отжига (длительной выдержки при 720С 12 – 16 ч. На этой стадии отжига происходит графитизация вторичного (перлитного) цементита, при полном распаде которого ковкий чугун будет иметь ферритную структуру.

Если выдержка на второй стадии графитизации была недостаточна, то распад перлитного цементита может протекать не до конца, и чугун получит структуру перлит + феррит + графит (см. рис. 3).

Отливки изготовляют из ковкого чугуна следующих марок:

КЧ 30-6; КЧ 33-8; КЧ 35-10; КЧ 37-12 ферритного класса, характеризующегося ферритной или ферритно-перлитной микроструктурной металлической основы;

КЧ 45-7; КЧ 50-5; КЧ 55-4; КЧ 60-3; КЧ 65-3; КЧ 70-2; КЧ 80-1,5 перлитного класса, характеризующегося в основном перлитной микроструктурой металлической основы.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами, указывающими предел прочности при растяжении (кгс/мм² ) и относительное удлинение (%). Ферритные ковкие чугуны КЧ30-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10, КЧ37-12 используют для отливок, эксплуатируемых при значительных динамических статических нагрузках (картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, детали контактной сети, головки и наконечники рукавов тормозной магистрали). Из феррито-перлитных чугунов КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ60-3, КЧ70-2, обладающих большей прочностью и некоторой пластичностью, изготавливают втулки, муфты, звенья и ролики цепей конвейера, вилки карданных валов и т. п. Ковкие чугуны применяют главным образом для изготовления мелких тонкостенных (до 5-20 мм) деталей в отличие от высокопрочных чугунов, которые используют для деталей большого сечения

Характеристики ковкого чугуна приведены в табл. 2.3:

Таблица 2.3

Механические свойства и структура марок ковкого чугуна

Марка	σв, МПа	δ, %	НВ, МПа	Структура
Ковкий чугун (ГОСТ 1215-79)
КЧ30-6	300	6	1000-1630	Ф+ Г
КЧ33-8	330	8	1000-1630	Ф+Г
КЧ37-12	370	12	1100-1630	Ф+Г
КЧ45-7	450	7	1500-2070	Ф+П+ Г
КЧ60-3	600	3	2000-2690	П+Г
КЧ80-1,5	800	1,5	2700-3200	П+Г

2.1.4 Чугун с вермикулярным графитом для отливок ГОСТ 28394-89. Его получают комплексным модифицированием жидкого чугуна иттрием, церием и магнием по той же технологии что и высокопрочный.

Настоящий стандарт устанавливает марки чугуна для отливок, имеющего в структуре графит вермикулярной (червеобразной) формы (ВГ) с количеством шаровидного графита не более 40 %,

Для изготовления отливок должны применяться чугуны следующих марок: ЧВГ 30, ЧВГ 35, ЧВГ 40, ЧВГ 45.

Условное обозначение марки включает: букву Ч - чугун; буквы ВГ - форма графита (вермикулярный графит) и цифровое обозначение минимального значения временного сопротивления разрыву при растяжении в МПа 10^-1.

Механические свойства чугуна в литом состоянии или после термической обработки должны соответствовать нормам, указанным в табл. 2.4:

Таблица 2.4

Марка чугуна	Временное сопротивление разрыву при растяжении σв, МПа (кгс/мм^2)		Относительное удлинение 5, %	Твердость по Бринеллю НВ
	не менее
ЧВГ 30	300 (30)	3,0		130 - 180
ЧВГ 35	350 (35)	2,0		140 - 190
ЧВГ 40	400 (40)	1,5		170 - 230
ЧВГ 45	450 (45)	0,8		190 - 250

Области применения чугуна с вермикулярным графитом марок ЧВГ 30, ЧВГ 35, ЧВГ 40: Детали общего машиностроения (взамен серого чугуна), работающие при повышенных циклических механических нагрузках. (базовые детали станков, кузнечно-прессового оборудования, корпусные детали и др).

Детали двигателей внутреннего сгорания, работающих при переменных повышенных температурах и механических нагрузках (опорные детали, головки цилиндров, крепежные детали рам, крышки коробки передач, корпуса, крышки и головки цилиндров, корпуса турбокомпрессоров, выхлопные патрубки, ступицы колес, балансиры, V-образные блоки 12-цилиндровых двигателей, блоки 6-цилиндровых двигателей; крышки и головки цилиндров мощных судовых и тепловозных двигателей; тормозные диски для высокоскоростных поездов, корпуса выпускных клапанов; корпуса газовых турбин, корпуса компрессоров.

ЧВГ 45: детали, работающие при значительных механических нагрузках, в условиях трения, износа, гидрокавитации, и при повышенных термоциклических нагрузках (корпуса винтовых передач, поршни и гильзы ДВС, корпуса гидроаппаратуры высокого давления, эксцентриковые зубчатые колеса и др).