Лабораторная работа № 5

 

Проведение анализа диаграммы состояния «железо-цементит» и микроструктуры сталей и чугунов

 

Цель работы: изучение диаграммы состояния «железо–графит»; изучение микроструктуры чугунов различных марок, их свойств и области применения.

Сущность работы: на основе лекционного материала изучить диаграмму «железо–графит», которая отражает все превращения в железоуглеродистых сплавах; усвоить основные процессы структурообразования чугунов. Подробно разобрать микроструктуры серых, ковких и высокопрочных чугунов. Ознакомиться с областями применения чугунов.

 

5.1 Диаграмма состояния «железо–графит»

 

Диаграмма «железо–графит» — диаграмма стабильного равновесия и отображает возможность образования высокоуглеродистой фазы — графита — на всех этапах процесса структурообразования в сплавах с повышенным содержанием углерода.

Диаграмма состояния «железо–графит» показана пунктирными линиями (рисунок 5.1), нанесенными на диаграмму состояния «железо–цементит». Это позволяет сравнивать обе диаграммы.

Кроме общих линий АС, АЕ и GS остальные сплошные и пунктирные линии обеих диаграмм не совпадают. Эвтектическая и эвтектоидная температуры диаграммы стабильного равновесия Fe–С выше, чем для метастабильной диаграммы Fe–Fe₃C. В системе Fe–С линия E'СF' cоответствует превращению Ж→А+Г (графитная эвтектика, содержащая 4,26 % С), эвтектика образуется при 1153 °С.

Эвтектоидное превращение в системе Fe–С протекает при температуре 738 °С. Эвтектоид, состоящий из феррита и графита (А→Ф+Г) содержит 0,7 % С. Так как выделение графита из аустенита и жидкости происходит при меньших концентрациях углерода, чем цементита, то линии СD' и E'S' сдвинуты влево. По линии E'S' в интервале температур 1153-738 °С выделяется вторичный графит.

Кристаллические структуры аустенита и цементита меньше различаются, чем кристаллические структуры аустенита и графита. Учитывая, что графит полностью состоит из углерода, а цементит содержит его только 6,67 %, состав жидкой фазы и аустенита более близок к цементиту, чем к графиту. Поэтому вероятность образования метастабильного цементита из жидкой фазы или аустенита происходит кинетически значительно легче, чем графита.

Графит образуется только при малых скоростях охлаждения, в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. При ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1147°С происходит образование цементита.

В трех областях диаграммы, где могут  присутствовать как метастабильная фаза — цементит, так и графит, фазы обозначены Ж+Ц(Г), А+Ц(Г), Ф+Ц(Г).

Рисунок 5.1 – Полная диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

(сплошные линии соответствуют метастабильной диаграмме Fe–Fe₃C,

пунктирные – стабильной Fe–С)

 

         Процесс графитизации чугунов

Графит представляет собой полиморфную модификацию углерода. Кристаллическая структура графита слоистая. Связь между атомами углерода в кристалле – ковалентная. Между слоями атомов осуществляется металлическая связь. Благодаря этому графит обладает некоторыми металлическими свойствами (электропроводностью). Прочностные свойства графита очень низкие.

Так как графит содержит 100 % углерода, а цементит – всего 6,67 %, то жидкая фаза и аустенит по составу более близки к цементиту, чем к графиту, и поэтому образование цементита из жидкой фазы и аустенита должно протекать легче, чем графита.

С другой стороны, известно, что при нагреве цементит разлагается на железо и графит. Из этого следует, что термодинамически графит является более стабильной фазой, чем цементит. Принимая во внимание вышесказанное, можно представить два пути образования графита в чугунах.

При благоприятных условиях (например, наличие в жидкой фазе готовых центров кристаллизации графитовой фазы) происходит непосредственное образование графита из жидкости. Графит может образоваться также разложением ранее образовавшегося цементита.

При решении вопроса о природе образующейся высокоуглеродистой фазы в чугунах (графит или цементит) учитывается с одной стороны, термодинамическая устойчивость этих фаз (графит устойчивей цементита), а с другой – кинетика образования кристаллов графита или цементита (цементит более близок по составу к составу чугуна, поэтому кинетически цементит возникает легче графита).

Для образования графита из жидкой фазы или аустенита необходимо очень сильное развитие диффузионных процессов: диффузия атомов железа от растущего кристалла графита и приток атомов углерода из жидкости или аустенита к растущему кристаллу графита. Поэтому в чистых железоуглеродистых сплавах даже при очень медленном охлаждении выделение графита наблюдается редко.

Однако реальные сплавы имеют в жидком состоянии загрязнения, в том числе и мельчайшие частицы графита, которые являются готовыми центрами графитизации. Поэтому при кристаллизации возможно непосредственное образование графитовой фазы. Этому содействует медленное охлаждение отливок.

Зная основные положения теории кристаллизации, можно вмешиваться в процессы структурообразования чугунов. В частности, этим пользуются при модифицировании чугуна, когда в жидкий металл вводятся затравки, служащие дополнительными центрами графитизации.

Без модификаторов чугун кристаллизовался бы с выделением кристаллов цементита. Добавка модификатора приводит к образованию мелких включений графита в структуре и содействует получению чугуна с высокими механическими свойствами.

При производстве высокопрочных чугунов проводится дополнительное модифицирование магнием или церием, которые, затрудняя направленный рост графита, обеспечивают кристаллизацию графита в шаровидной форме.

Так как образование графита требует более развитых диффузионных процессов, то следует ожидать, что при больших степенях переохлаждения преимущественно образуется цементит, при малых – графит. Это подтверждает практика. В чугунных отливках с разной толщиной стенки наблюдается разная степень графитизации: в очень тонких участках весь углерод находится в виде цементита, в массивных участках – в виде графита.

Другой путь образования графита в чугунах заключается в том, что сначала из жидкой фазы или аустенита выделяется цементит, который впоследствии разлагается на железо и графит.

При температурах выше линии P'S'К' цементит разлагается на смесь аустенита и графита по схеме

Fe_:3C→3Fe_γ(C) + C (графит).

При температурах ниже линии P'S'K'

Fe₃C→Fe_a(C) + C (графит).

Естественно, что количество распавшегося цементита как при температурах выше, так и ниже линии P'K'S' определяется диффузионными процессами, которые прежде всего зависят от температуры. Поэтому при малых скоростях охлаждения (большая возможность протекания диффузии) степень разложения цементита больше, чем при больших скоростях охлаждения.

Графитизацию из жидкой фазы, а также от распада первичного цементита и цементита эвтектики называют первичной стадией графитизации. Выделение вторичного графита из аустенита называют промежуточной стадией графитизации.

Образование эвтектоидного графита, а также графита, образовавшегося в результате распада цементита перлита, называют вторичной стадией графитизации. Наблюдать структуру вторичного или эвтектоидного графита обычно не удается, так как образующийся в результате этих превращений графит наслаивается на ранее образовавшиеся графитовые кристаллы. Образующийся при кристаллизации и при дальнейшем охлаждении графит в чугунах имеет форму прожилок и под микроскопом выглядит, как показано на рисунке 5.2, а. Чугуны, имеющие графит в виде прожилок, называются серыми из-за серого цвета поверхностного излома.

Влияние состава чугуна на процесс графитизации. Чугуны, как и стали, являются сложными сплавами. В состав любого чугуна входят углерод, кремний, марганец, фосфор, сера (только в больших количествах, чем в стали). Углерод и кремний способствуют графитизации, марганец затрудняет графитизацию и содействует отбеливанию чугуна, так же влияет сера. Фосфор на графитизацию влияет мало.

 

5.2 Серые, высокопрочные и ковкие чугуны

 

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы с повышенным (обычно больше 2 %) содержанием углерода. Повышенное количество углерода в составе чугунов приводит либо к образованию в структуре сплава твердой и хрупкой эвтектики (белые чугуны, диаграмма «железо–цементит»), либо к появлению свободного углерода в виде графита (серые, ковкие, высокопрочные чугуны).

Повышение содержания углерода приближает сплав к эвтектическому составу, уменьшает температуру плавления и температурный интервал кристаллизации, что положительно отражается на литейных свойствах сплавов. Поэтому чугуны используются как литейные сплавы для изготовления фасонных отливок.

Из диаграммы «железо–цементит» видно, что во всех железоуглеродистых сплавах углерод находится в виде химического соединения Fe₃C – цементита. Однако в большинстве случаев на практике имеют дело с чугунами, в структуре которых имеется свободный углерод (графит), образованию которого способствует повышенное содержание кремния в составе таких чугунов.

Структура чугунов зависит от степени графитизации, т. е. от того, какое количество углерода, входящего в состав чугуна, находится в химически связанном состоянии (С_св, %) в виде цементита. По этому признаку различают:

Белые чугуны: весь углерод этих чугунов находится в химически связанном состоянии (Fe₃C). Co структурами белых чугунов вы познакомились при разборе диаграммы «железо–цементит»;

Половинчатые чугуны: С_св>0,8%; структура чугуна – пер-лит+ледебурит+графит (П+Л+Г);

Перлитные серые чугуны: С_св=0,8%; структура – перлит+графит (П+Г);

Ферритно-перлитные серые чугуны: 0,8 %>C_св>0,02 %; структура – перлит+феррит+графит (П+Ф+Г);

Ферритовые серые чугуны: С_св=0%; структура – феррит+графит (Ф+Г).

 

 

Рисунок 5.2 – Микроструктуры графита:

а) пластинчатый графит (серые чугуны); б) шаровидный графит (высокопрочные чугуны); в) хлопьевидный графит (ковкие чугуны)

 

Образование графита в результате разложения цементита может происходить не только при кристаллизации и охлаждении чугуна, но и при нагреве белого чугуна в области высоких температур. Это явление используется при производстве так называемого ковкого чугуна. В этом случае центры графитизации растут более или менее равномерно во все стороны и образующиеся графитовые включения приобретают хлопьевидную форму (рисунок 5.2, в). Такой графит называют также углеродом отжига.

Чугун с хлопьевидными графитовыми включениями углерода отжига называется ковким чугуном.

Выше отмечалось, что при модифицировании чугуна магнием или церием образуются шаровидные графитовые включения. Чугун с шаровидными включениями графита называют чугуном с шаровидным графитом или чаще высокопрочным чугуном.

В зависимости от формы графитовых включений в структуре чугуны подразделяются на серые, высокопрочные и ковкие. Серые, ковкие и высокопрочные чугуны по структуре металлической основы, которая зависит от количества связанного в цементите Fe₃C углерода С_св, подразделяются на ферритные (С_св=0), ферритно-перлитные (С_св<0,8%), перлитные (С_св>0,8%).

На рисунке 5.3 приводятся схемы микроструктуры серых, ковких и высокопрочных чугунов с различной структурой металлической основы.

 

Рисунок 5.3 – Микроструктуры серых (А), ковких (Б), высокопрочных (В) чугунов (схемы).

 

Влияние графита на механические свойства чугунных отливок

 

Графитовые включения можно рассматривать как соответствующей формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значения которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что в наибольшей мере разупрочняют металл графитовые включения пластинчатой формы (рис. 2, а). Более благоприятна для механических свойств хлопьевидная форма графита (см. рис. 2, в). Оптимальной является шаровидная форма графита (рис. 2, б).

Пластичность () чугунов с разной формой графита следующая:

Графит                пластинчатый               хлопьевидный              шаровидный

                          0,2…0,5                              5…10                                      10…15

Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление материала при жестких способах нагружения: сопротивление удару, разрыву. Сопротивление сжатию от наличия графита уменьшается мало.

Несмотря на, что графит разупрочняет чугун, наличие графита в структуре отливок имеет свои положительные стороны:

1. графит улучшает обрабатываемость резанием, так как образуется ломкая стружка;

2. по сравнению со сталью чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, так как наличие графита обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения;

3. из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость;

4. детали из чугуна нечувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, переходы в сечениях, отверстия),в то время как сталь к таковым очень чувствительна;

5. чугун значительно дешевле стали;

6. производство изделий из чугуна литьем также дешевле изготовления изделий из стальных заготовок обработкой резанием, а также литьем и обработкой давлением с последующей механической обработкой.

 

5.3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Изучить шлифы различных металлов.

2. Заполнить таблицу 5.1 и зарисовать структуру металла.

 

         Таблица 3.1 – Результаты опытов

№ п/п	Материал	Структура
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.	Ст3 У10 Ст35 5ХНМ 30ХМФЛ СЧ10 СЧ25 КЧ40 ВЧ70 Белый чугун

 

3.7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Зарисовать структуру металла.

2. Заполнить таблицу.

3. Определить по диаграмме железо-цементит характерные температурные точки для данного металла.

 

3.8 Контрольные вопросы

 

1. При какой температуре происходит эвтектоидное превращение?

2. Расскажите о микроструктуре серых чугунов.

3. Расскажите о влиянии графита на механические свойства чугунных отливок.

 

Назад                    Дальше            В меню