Дубовий_О._М._и_др.pdf(Материаловедение)

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

ють кількість сульфідів, фосфідів, силікатів, оксидів та нітридів, регламентують макрота мікроструктуру.

Високоякісні інструментальні вуглецеві сталі містять не більше

0,018 % S і 0,025 % Р.

За призначенням розрізняють конструкційні та інструментальні

сталі. Конструкційнівуглецевісталіусвоючергуподіляютьнабудівельні тамашинобудівні.

Будівельні сталі використовують для виготовлення металевих конструкцій будівель, споруд, мостів, кранів, вагонів, естакад, армування залізобетонутощо. Доцихсталейвисуваютьсявимогипоєднаннявисокихміцностітапластичності, ударноїв'язкості, корозійноїстійкостіймалоїсхильностідокрихкогоруйнування. Будівельністаліповинніматитакож гарнітехнологічнівластивості: здатністьзварюватися, оброблятисярізанням, пластично деформуватися.

Машинобудівні сталі призначені для виготовлення деталей машин (зварнихконструкцій, валів, осей, зубчастихколіс, пружин, ресор).

Конструкційнівуглецевісталівиробляютьзвичайноїякостітаякісні.

Конструкційні вуглецеві сталі звичайної якості позначають літерами "Ст" (сталь) та числом, яке вказує на її умовний номер (ДСТУ 2651–94). Зі збільшенням номера сталі зростає вміст вуглецю. Проте число у марці не є показником її хімічного складу або властивостей. Сталі звичайної якості можуть містити підвищену кількість марганцю (0,8...1,1 %): Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гсп. Літера Г вказує на його підвищений вміст у складі сталі (приблизно 1 %) порівняно зі сталлю, вякіййогоконцентраціявідповідаєнормі(0,3...0,8 %).

Зісталейзвичайноїякостівиготовляютьгарячекатанийрядовийпрокат: балки, швелери, кутники, атакожлисти, труби, періодичніпрофілі. Їх широковикористовуютьубудівництві, мостотасуднобудуванні, машинобудуваннідлясільськогогосподарства. Зізростанням вмісту вуглецю в сталі збільшуються границі міцності та текучості, зменшується пластичність. Чимбільшоюєтовщинапрокату, тимнижчіпоказникиміцності йпластичності.

Конструкційнаміцністьсталейзвичайноїякостіможебутиполіпшена гартуванням з прокатного нагрівання. Гартування проводять відразу на виході сортового прокату з кліті прокатного стану. Після гартування та відпуску напівфабрикатів границя міцності зростає у 1,5...2,0 рази зі збереженням високої пластичності, границі витривалості та зниженням

42

Діаграма стану "залізо–цементит". Дослідження мікроструктури...

температури переходу з в'язкого стану в крихкий. Термічна обробка з прокатного нагрівання дає змогу заощаджувати 10...50 % металу, дає економіюенергетичнихвитраттауможливлюєзамінулегованихсталей дешевшимитермічнозміцненимивуглецевими.

Конструкційні якісні вуглецеві сталі маркують числами 08, 10, 15…85, які вказують на середню масову частку вуглецю у сотих частках відсотка (зокрема, сталь 08 містить 0,08 %, а сталь 85 – 0,85 %). У марках киплячих та напівспокійних сталей вказують спосіб розкиснення, спокійні сталі позначають без відповідного індексу. Металургійний завод-виробник гарантує не тільки хімічний склад, але й механічні властивостісталі. Зізбільшеннямвмісту вуглецювід0,08 до0,60 % границяміцностісталіустаніпіслянормалізаціїзростаєвід320 до680 МПа, а відносне подовження зменшується із 33 до 12 %.

Низьковуглецеві сталі 05кп, 08, 08кп, 10, 10кп маютьмалу міцність та високу пластичність. Такі сталі без термічної обробки використовують для вироблення слабконавантажених деталей (прокладок, шайб, змійовиків тощо) та елементів зварних конструкцій. З холоднокатаної тонколистовоїсталі виготовляютьвиробихолоднимштампуванням.

Середньовуглецеві сталі 30, 35, 40, 45, 50, 55 застосовують після нормалізації, поліпшеннятаповерхневогогартуваннядлявиготовлення різноманітнихдеталеймашинурізнихгалузяхпромисловості. Недоліком цих сталей єневисока прогартовуваність.

Високовуглецеві конструкційні сталі 60, 65, 70, 80, 85 мають підви-

щені міцність, зносостійкість та пружність. Належного рівня властивостей сталям надають такими видами термічної обробки: гартуванням і відпуском, нормалізацією та відпуском, поверхневим гартуванням. Їх застосовують для виготовлення деталей, які працюють в умовах тертя за наявності високих статичних та вібраційних навантажень (пружини йресори, шпинделі, прокатнівалкитощо).

Інструментальні вуглецеві сталі позначають літерою "У" і чис-

лом, яке вказує на середню масову концентрацію вуглецю у десятих частках відсотка (зокрема, сталь У8 містить 0,8 %). Сталі виробляють тільки як якісні (У7, У8, У9, У10 тощо) та високоякісні (У10А і т. д.). Остання літера "А" у марці сталі показує, що сталь високоякісна.

Інструментальні вуглецеві сталі внаслідок малої стійкості переохолодженогоаустеніту маютьневисокупрогартовуваністьінеєтеплостійкими. За вмістом вуглецю це – переважно евтектоїдні та заевтек-

43

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

тоїдні сталі, структура яких після гартування й низького відпуску складається з мартенситу або мартенситу та надлишкових карбідів. Інструментальні вуглецеві сталі застосовують для виготовлення різального інструментуневеликихрозмірів: фрез, зенкерів, свердел, шаберів, напилків тощо. Знихвиробляютьтакождеревообробнітахірургічніінструменти. СталіУ10, У11, У12 використовуютьдлявиготовленнявитяжнихштампів холодногодеформуванняневеликихрозмірів.

Порядок виконання роботи

1.Вивчитидіаграму"залізо–цементит".

2.Дослідитимікроструктуритехнічногозалізаівуглецевихсталей.

3.Написати звіт по роботі, в якому коротко сформулювати мету роботи, позначитинадіаграмістану"залізо–цементит" усікритичніточки, температури перетворення, фази і структурні складові; описати фазові перетворення у заданому сплаві та визначити кількість фаз для заданої температури; визначитиструктурніскладовісплавузаданогоскладупри кімнатній температурі; подати схеми мікроструктур зразків лабораторної колекції з позначенням фаз структурних складових та відповідних мароксталей; навестиприкладизастосуваннявуглецевоїсталі, щовідповідає заданому сплаву або близькому за вмістом вуглецю.

Прилади, матеріали та інструменти

Для проведення роботи необхідно мати оптичний металографічний мікроскоп, набірмікрошліфівтехнічногозалізаівідпаленоївуглецевоїсталі.

Контрольні запитання

1.Дайте характеристику компонентам системи "залізо–цементит".

2.Охарактеризуйте фази системи "залізо–цементит".

3.Проаналізуйтерівноважніперетвореннявсистемі"залізо–цемен- тит". Визначте структурні складові.

4.Визначтекритичніточкизалізовуглецевихсплавівіпроаналізуйте перетвореннявсталяхприохолодженні.

5.Що називається сталлю?

6.Як класифікуються вуглецеві сталі за структурою у відпаленому

стані?

7.Як класифікуються вуглецеві сталі за якістю?

8.Охарактеризуйте вуглецеві сталі за призначенням.

9.Як маркуються вуглецеві сталі?

44

Дослідження мікроструктури чавунів

Лабораторна робота № 6

ДОСЛІДЖЕННЯ МІКРОСТРУКТУРИ ЧАВУНІВ

Метароботи: дослідитиструктурибілих, сірих, ковкихівисокоміцних чавунів та встановити зв'язок між їх структурою, складом і властивостями.

Теоретичні відомості

Залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю більше 2,14 %, які після первинної кристалізації мають двофазний стан (аустеніт і цементит або аустеніт та графіт), називають чавунами. Чавун відрізняється від сталі нелишебільшимвмістомвуглецю, айсвоїмитехнологічнимивластивостями, наприклад кращими ливарними властивостями (завдяки евтектичному перетворенню) та гіршою здатністю до пластичної деформації (узв'язкузнаявністю крихких вкраплень). Крімтого, чавун легший (середня густина 7,2 т/м3) і дешевший від сталі.

Залежновідформивуглецючавуниподіляютьнабілі(матово-білий колір у зламі) та графітизовані (сірий колір у зламі). Білими називають чавуни, вякихвесьвуглецьперебуваєувиглядіцементиту. Фазовійструктурні перетворення в них описуються діаграмою стану сплавів "залізо– цементит" (рис. 6.1). Завмістомвуглецюрозрізняютьдоевтектичні(менше 4,3 % вуглецю), евтектичні (4,3 %) та заевтектичні (більше 4,3 %) чавуни. Завдяки великому вмісту цементиту білі чавуни мають високі твердість(4500...5500 НВ) такрихкість, використовуються длявиготовленнязносостійкихдеталей, якінепотребуютьмеханічноїобробки(наприклад, лопатокдробометальнихмашин, кульіброньованихплитмлинів, елементів конструкцій пневмотранспорту, деталей насосів для абразивного середовища тощо). Структуру доевтектичних чавунів складають перліт, вторинний цементит і ледебурит, структуру евтектичних – чистий ледебурит, а заевтектичні крім ледебуриту містять голчасті вкраплення первинного цементиту (див. рис. 6.1). Структуру білого чавуну можуть мати також у поверхневому шарі графітизовані чавуни, їх називаютьвибіленимиівикористовуютьдлявиготовленняпрокатнихвалків, плугових лемішів, гальмівних колодок та інших деталей, що працюють

вумовах стирання.

Уграфітизованих чавунах до 0,8 % вуглецю може перебувати у виглядіцементиту(вперліті), арешта– увільномустаніувиглядіграфіту.

45

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Така структура забезпечує меншу твердість, добру оброблюваність рі-

ОЦК-ґратцізаліза. Цементитближ-

вчийдоаустеніту, ніжграфіт, ізахі-

мічним складом (аустеніт – 2,14 % вуглецю, цементит – 6,67 %, а графіт – 100 %). Тому утворення цементиту як з рідини, так і з аусте-

ніту відбувається легше, не потрібна значна дифузія вуглецю, тобто цей процес кінетично вигідніший. По-друге, графіт – природно-стійка фаза (компонент) імаєменшийзапасвільноїенергії, ніжменшстійкийкарбід, тобто термодинамічний фактор сприятиме утворенню не цементиту, аграфіту.

Утворення графіту з рідини й аустеніту відбувається в результаті охолодженнявдужевузькомуінтервалітемператур(6…11 °С) міжлініямиевтектичнихтаевтектоїднихперетворень, тобтовумовахмалихпереохолоджень при невеликих швидкостях охолодження. Це пояснюється великоюроботоюутвореннязародкаграфітуізначноюдифузієюатомів вуглецю до місця утворення зародка, а атомів заліза – від цього місця. Утворення зародків було б не дуже частим явищем, якби рідкий чавун був ідеально чистою речовиною. Насправді в рідкому чавуні містяться дрібні частинки різних вкраплень і домішок, у тому числі й графіту. На цихчастинкахіпочинаютьосідатиатомивуглецю, утворюючикристали

46

Дослідження мікроструктури чавунів

графіту. В цьому випадку робота утворення зародка графіту може бути порівнянноюзроботоюутвореннязародкацементиту– йутворенняграфіту можливе при температурах нижче 1147 °С.

Отже, нагрівання чавуну значно вище від температури плавлення будеприводитидорозчиненняймовірнихцентрівкристалізації врідині йсповільнюватиграфітизацію, авведенняврідкийчавунрізноманітних домішоксприятимезбільшеннюкількостіцентрівкристалізаціївуглецю іприскорюватимеграфітизацію.

Аналогічним будеймеханізм виділення графіту з аустеніту вінтервалі температур 738...727 °С і нижчих, оскільки вуглець осідатиме на вкрапленняхграфіту, якіутворилисязавищихтемператур.

Крім викладеного механізму утворення графіту безпосередньо під часкристалізаціїіснуєтакожінший, пов'язанийзнестійкістюцементиту. Йогорозпадможливийприпевнихтемпературахзутвореннямаустеніту і графіту та фериту й графіту. Для здійснення такого розпаду потрібні дифузія вуглецю до центрів кристалізації графіту і самодифузія атомів заліза з тих місць, в яких зосереджується графіт. Цей практично неможливийприкімнатнійтемпературіпроцесрізкоприскорюєтьсязпідвищенням температури.

Звичайнийпромисловийчавуннеєсутозалізовуглецевим сплавом, боміститьтіждомішки, щойвуглецевасталь, тобтомарганець, кремній, сірку та фосфор, але в більших кількостях. Ці домішки суттєво впливають на умови графітизації, а отже, і структуру та властивості. Крім хімічного складу структура й властивості чавуну залежать від технологічнихфакторіві, впершучергу, швидкостіохолодження. Призменшенні швидкостіохолодженнязбільшуєтьсякількістьграфіту, призбільшенні– кількістьцементиту.

До технологічних факторів впливу на розміри та форму вкраплень графіту належить також процес модифікування, що полягає в утворенні центрівкристалізаціїабовпливінарісткристалів. Длянаданнявкрапленням графіту кулястої форми їх модифікують магнієм або лігатурами (магній–нікель, мідь–магній, магній–нікель–рідкісноземельні метали тощо). Кількість модифікатора складає 0,3...2,5 % від маси рідкого чавуну. Впливмагнію(0,02...0,08 %) награфітизаціюполягаєвутворенні мікробульбашок газоподібного магнію (кипить при 1100 °С), в яких зароджуються і ростуть кульки графіту. Механічні властивості таких сплавів, якімаютьневеликупластичністьідобріантифрикційнівластивості, наближаються до властивостей сталей.

47

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Графітизовані чавуни залежно від форми графітних вкраплень поділяютьнасірі, високоміцнітаковкі.

Сірим називають чавун, у якому до 0,8 % вуглецю може перебувати у вигляді цементиту (в перліті), а решта – у вільному стані у вигляді пластинчастого або вермикулярного (вермішелеподібного) графіту.

За структурою металевої основи сірі чавуни поділяють на перлітні (структура перліту й графіту), феритно-перлітні (ферит, перліт і графіт) та феритні (ферит і графіт) (табл. 6.1). Механічні властивості сірого чавунузначнозалежатьвідвластивостейметалевоїоснови, аленайбільше відкількості, формитарозмірівграфітнихвкраплень. Міцність, твердість

ізносостійкістьтакихчавунівзростаютьпризбільшеннікількостіперліту. Вирішальнарольграфітузумовленатим, щойогопластинкидіютьяк надрізи або тріщини, пронизують металеву основу і послаблюють її. Із цієїпричинисірічавунипоганопротидіютьрозтягу, маютьнизькіміцність

іпластичність. Відносне подовження при розтягу незалежно від структури основи складає 0,2...0,5 % для пластинчастого і 1,0...1,5 % для вермикулярного графітів. Твердість сірих чавунів зумовлюється структурою металевої основи і мало залежить від форми графітних вкраплень. Наприклад, феритні чавуни мають твердість 1500...1800 НВ, феритно-перлітні – 1800...2500 НВ, а перлітні – 2500...2900 НВ. За ГОСТ1412–85 умаркахсірихчавунівзаписуютьвеликілітериСЧідвоцифровечисло, якепоказуєграницюміцностіприрозтягу10–1 МПа(наприклад, СЧ12, СЧ45).

Структурусірогочавунуотримуютьнайчастішеприповільномуохо- лодженнівпіщано-глинистійливарнійформі. Масавиливківможескладати від кількох грамів (поршневі кільця) до 100 і більше тонн (станини верстатів). При виборі марки чавуну для конкретних умов роботи беруть до уваги як механічні, так і технологічні властивості. Феритні сірі чавуни СЧ10, СЧ15, СЧ18 призначені для мало- й середньонавантаженихдеталей: кришок, фланців, маховиків, корпусівредукторівіпідшипників, супортів, гальмівнихбарабанів, дисківзчепленнятощо. Феритноперлітні сірі чавуни СЧ20, СЧ21, СЧ25 використовуються для деталей, які працюють при підвищених статичних і динамічних навантаженнях: блоківциліндрів, картерівдвигунів, поршнів, станинверстатів, зубчастих коліс тощо. Перлітні сірі модифіковані чавуни СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 мають найвищі механічні властивості завдяки дрібним відокремленим графітним вкрапленням. Модифіковані чавуни застосовуються для деталей, які працюють при великих навантаженнях або у важких умовах

48

Дослідження мікроструктури чавунів

стирання(зубчастіколеса, гільзиблоківциліндрів, шпинделі, розподільні вали і под.). Ці чавуни мають найвищу герметичність, тому з них виготовляють також корпуси насосів і компресорів, арматуру гальмівної пневматикитагідроприводів.

Таблиця6.1. Класифікаціячавунузаметалевоюосновоюіформоюграфітних

включень(схемиструктур)

Високоміцними називають чавуни, в яких графітні вкраплення мають кулясту форму. Їх одержують шляхом модифікування магнієм або лігатурами вковшіпередрозливанням уформи. Хімічнийскладцихчавунів наступний, %: вуглець – 3,0...3,6; силіцій – 1,1...2,9; марганець – 0,3...0,7; сірка – до 0,02; фосфор – до 0,1. За структурою високоміцні чавуни бувають феритними та перлітними. У феритних чавунах (структура фериту і кулястого графіту) допускається до 20 % перліту. У перлітних чавунах може бути до 20 % фериту.

Кулястийграфітєслабкимконцентраторомнапружень, томувисокоміцнийчавунмаєбільші, ніжсірий, міцністьіпластичність. Оскількивідсутнігострінадрізи, властивіструктурісірогочавуну, доцільноюєзміна структуриметалевоїосновитермічноюобробкою. Принциповоможливі всівидизміцнювальнихізнеміцнювальнихоперацій.

49

ЗБІРНИК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

УмаркахвисокоміцнихчавунівзаДСТУ3925–99 записуютьвеликі літери ВЧ і числа, перше з яких показує границю міцності при розтягу, МПа, а друге – відносне подовження, % (наприклад, ВЧ600-2). Їх використовують у різних галузях техніки (авто- і тракторобудуванні, сільськогосподарському машинобудуванні, металургії та будівництві), ефективно замінюючи ними сталь у багатьох деталях і конструкціях. З них виготовляють виливниці для розливання сталі (в 1,5...2,5 рази стійкіші, ніжізсірогочавуну), прокатнівалки, кокілі, станинипотужних молотів та пресів, штампи для гнуття і холодної висадки, колінчасті та розподільнівали, поршні, поршневікільця, циліндри, шестерні, зірочки йіншідеталі.

Графітизованийчавун, вякомуграфітмаєпластівчастуформу, називають ковким. Така форма графіту, на відміну від пластинчастого, менше знижує механічні властивості металевої основи, тому ковкі чавуни є міцнішими та пластичнішими від сірих (однак їх не можна кувати). Структуриковкихчавунів(феритіграфіт, перлітіграфіттаперліт, ферит і графіт) отримують при довготривалому відпалюванні доевтектичних білихчавунів.

Виливкизбілогочавуну, яківідпалюватимутьсянаковкий, повинні бути тонкостінними (до 50 мм), без вкраплень пластинчастого графіту. Ізцієїжпричинивихіднийбілийчавунмаєвузькіінтерваливмістухіміч-

них елементів: 2,4...2,9 % С; 1,0...1,6 % Sі; 0,2...1,0 % Мn; до 0,2 % S;

до 0,18 % Р. Розплавити такий чавун у вагранці не можна, тому використовують спеціальні печі, що збільшує вартість виробів. Але основні витратипривиготовленніковкихчавунівідутьнадовготривалийвідпал. Його застосовують для отримання феритної структури.

Процес відпалу полягає в повільному (20...25 год) нагріванні (рис. 6.2, режим 1) деталей, вкладених у металеві ящики і засипаних піском або сталевою стружкою для захисту від окиснення, до температури950...1000 °С. Підчасвитримкиприційтемпературіпротягом10...

...15 год відбувається перша стадія графітизації, яка полягає в розпаді евтектичноготавторинногоцементитівзутвореннямаустенітуйвільного вуглецю– графіту. Далітемператураповільнознижуєтьсятавідбуваєтьсярозпадутворюваногозаустеніту вторинногоцементиту. Другастадія графітизаціїпроводитьсяабопридужеповільномуохолодженнівевтектоїдномуінтервалітемператур(див. рис. 6.2, режим2), абопритривалій (25...30 год) витримці за температури 720...740 °С. При цьому розпа-

50

Дослідження мікроструктури чавунів

дається цементит перліту та формується структура фериту і графіту. Якщо швидкість охолодження деталей при температурах нижче 727 °С

дотемператури20 °С. Перлітнийцементитутакихумовахпрактичноне розпадається, й чавун матиме в структурі перліт і графіт. Релаксація ливарнихнапружень, компактнаформаівідокремленістьграфітнихвкрапленьзумовлюютьвисокімеханічні властивостіковкихчавунів. Феритні чавуни мають підвищену пластичність, а перлітні – високі міцність

ітвердість.

Умаркуванні ковких чавунів використовують позначення, властиві іншим чавунам. Літери КЧ означають ковкий чавун, перше число – гра- ницюміцності10–1 МПа, аостаннє(черездефіс) – відноснеподовження, %;

наприклад, КЧ30-6, КЧ37-12, КЧ60-3, КЧ80-1,5.

Ковкі чавуни використовують в автотракторному та сільськогосподарському машинобудуванні, будівництві та інших галузях. З них виготовляютьколінчастітарозподільнівали, поршнідизелів, коромислаклапанів, деталі механізму зчеплення, картери головної передачі, корпуси диференціалайрульовогомеханізму, маточиниколіс, гальмівніколодки, арматурнідеталідлятрубопроводів(муфти, трійники, коліна) таіншідеталі. Основнийнедолікковкихчавунів– високавартість, томуцейматеріал застосовуютьлишедлятонкостіннихдеталей, вякихотриматиструктуру високоміцногочавунупривиготовленніливарнимспособомневдається.

Порядок виконання роботи

1.Дослідитимікроструктурузразківчавуну.

2.Замалювати схеми мікроструктур і вказати структурні складові.

3.Вивчити залежність властивостей чавуну від структури основи

іформиграфіту.

51