Виды и структуры чугунов

Цель работы - научиться определять под микроскопом структурные составляющие чугунов.

Задачи:

- закрепить знания о фазовых превращениях, происходящих в чугунах в равновесном состоянии;

- закрепить знания о видах чугунов;

- изучить микроструктуру чугунов в равновесном состоянии.

Материально-техническое оснащение:

- металлографический микроскоп;

- коллекция микрошлифов чугунов;

- диаграмма состояния системы железо-цементит;

- диаграмма состояния системы железо-углерод;

- альбом фотографий микроструктур.

1. Теоретическая часть

Чугунами называют железо-углеродистые сплавы, содержание углерода (С) в которых больше 2,14%. В зависимости от условий кристаллизации, содержания компонентов, термической обработки различают белые, серые, половинчатые, высокопрочные и ковкие чугуны. В белых чугунах весь углерод находится в виде цементита. Формирование структурных составляющих белых чугунов определяется правой частью диаграммы состояния системы железо-цементит (Fe – Fe₃ С), содержание углерода более 2,14% (рисунок 3.1).

В зависимости от содержания углерода различают белые чугуны: доэвтектические (от 2,14% до 4,3% С), эвтектические (4,3%С) и заэвтектические (от 4,3% до 6,67% С). Во всех белых чугунах имеется ледебурит. Эвтектический чугун состоит из одного ледебурита, образующегося при 1147⁰С при эвтектической кристаллизации жидкого расплава с содержанием 4,3% С и состоящего из эвтектического цементита и аустенита, содержащего 2,14% С. При последующем медленном охлаждении, вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените (рисунок 3.1), из аустенита выделяется вторичный цементит.

Вторичный цементит сливается с цементитом эвтектическим, поэтому в структуре они не различимы. При 727⁰С эвтектика состоит из цементита и аустенита с содержанием 0,8% С. При этой температуре аустенит превращается в перлит. Таким образом, после полного охлаждения ледебурит состоит из цементита и перлита (рисунок 3.1,а). Под микроскопом в ледебурите различают темные округлые включения перлита в светлой цементитной основе. Доэвтектический белый чугун после полного охлаждения имеет структуру ледебурит+ перлит+вторичный цементит (рисунок 3.1,б). Вторичный цементит выделяется из аустенита при охлаждении от 1147⁰С до727⁰С, содержание углерода при этом уменьшается от 2,14% С до 0,8% С (рисунок 3.1, линия ЕS).

Заэвтектический белый чугун состоит из ледебурита и первичного цементита (рисунок 3.1,в). Первичный цементит выделяется при кристаллизации жидкой фазы (ниже линии СD).

Серый чугун - это чугун, имеющий в своей структуре графит пластинчатой формы. Графит – неметаллическая фаза, состоящая только из атомов углерода. Серые чугуны получаются при кристаллизации жидкого расплава (рисунок 3.2).

В структуре серых чугунов под микроскопом различают: графит и металлическую основу. Графит под микроскопом имеет вид темных пластинок. Размер пластинок может изменяться от мелкого до крупного. Металлическая основа серых чугунов может быть ферритной (рисунок 3.3,а), феррито-перлитной. (рис.5.3,б)и перлитной (рис.5.3,в).

а б в

Рисунок 3.1 – Микроструктуры белых чугунов:

а – эвтектический; б – доэвтектический; в – заэвтектический

Рисунок 3.2 – Диаграмма состояния системы железо – углерод

Половинчатый чугун – это чугун, в котором при кристаллизации выделяются одновременно структурные составляющие чугунов: белого – ледебурит, серого – графит (рисунок 3.4, а).

Высокопрочный чугун – это чугун, имеющий в своей структуре графит шаровидной формы. Высокопрочные чугуны получают путем добавки в расплавленный чугун перед разливкой небольших количеств магния. Типы структур металлической основы такие же, как у серых чугунов. Возможны следующие виды высокопрочных чугунов: ферритный высокопрочный, феррито-перлитный высокопрочный (рисунок 3.4,б) и перлитный высокопрочный чугун.

Ковкий чугун – это чугун, имеющий в своей структуре графит хлопьевидной формы. Ковкий чугун получают из белого путем нагрева до высокой температуры, длительной выдержки при этой температуре, в процессе которой происходит распад цементита с образованием графита хлопьевидной формы. Металлическая основа ковкого чугуна может быть ферритной, феррито-перлитной и перлитной. В соответствии с этим различают ковкий ферритный (рисунок 3.4,в), ковкий феррито-перлитный и ковкий перлитный чугун.

а б в

Рисунок 3.3 – Микроструктуры серых чугунов:

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

а б в

Рисунок 3.4 – Микроструктуры чугунов:

а – половинчатый; б – высокопрочный; в – ковкий.

2. Порядок выполнения работы

1. Нарисовать диаграмму состояния системы железо - цементит.

2. Нанести на нее вертикальные линии, соответствующие доэвтектическому, эвтектическому и заэвтектическом чугуну. Дать описание превращений, происходящих при охлаждении этих чугунов.

3. На готовых шлифах, взятых из коллекции, а также по фотографиям изучить микроструктуры рассматриваемых чугунов.

4. Зарисовать микроструктуру белых чугунов, указать на рисунках структурные составляющие.

5. Нарисовать диаграмму состояния системы железо-графит. Нанести на нее линию, соответствующую доэвтектическому чугуну, и дать описание процессов превращений, происходящих в нем при охлаждении.

6. Изучить и зарисовать микроструктуру серого, половинчатого, высокопрочного и ковкого чугунов на готовых шлифах и по фотографиям микроструктур. Указать на рисунках структурные составляющие.

7. Охарактеризовать условия образования структурных составляющих.

3. Оформление отчета

Отчет должен содержать:

1. Наименование работы

2. Цель работы

3. Диаграммы состояния систем железо- цементит и железо-графит.

4. Рисунки микроструктур белого, серого, половинчатого, высокопрочного и ковкого чугунов с указанием структурных составляющих.

4. Контрольные вопросы

1. Какие сплавы называют чугунами?

2. Какое содержание углерода в эвтектическом белом чугуне?

3. Из каких фаз состоит ледебурит?

4. Чем отличаются белые чугуны от серых?

5. Какая металлическая основа может быть в серых чугунах?

6. Как получают высокопрочные чугуны?

7. Какую форму имеет графит в ковком чугуне?

Лабораторная работа №4