Изучение микроструктуры чугунов

Изучение микроструктуры чугунов

чугун углерод белый ковкий

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2% углерода. Углерод в чугунах может находиться в связанном состоянии (в виде цементита) или в свободном (в виде графита). Количество графита и образующаяся металлическая основа чугунов зависит от графитизации, а форма графитовых включений зависит от способа производства. Различают чугуны по металлической основе и форме графитовых включений.

Белый чугун

В белом чугуне весь углерод присутствует в виде цементита, поэтому он хрупок, твёрд и не применяется в качестве конструкционного материала для изготовления деталей машин.

Структура белого чугуна зависит от содержания углерода и соответствует диаграмме состояния «железо — цементит» (рисунок 1). По структуре белые чугуны делятся на три группы:

а) доэвтектические чугуны содержат углерода от 2 (точка Е диаграммы состояния) до 4,3% (точка С), имеют структуру: перлит, цементит вторичный и ледебурит.

Перлит (ферритно-цементитная смесь) содержит ~ 0,8% С, является продуктом эвтектоидного распада аустенита (А) по линии PSK. Зёрна аустенита образовались при кристаллизации жидкости на линии BC.

Цементит (вторичный) выделяется из аустенита в интервале температур 1147 — 727 оС (линии ECF — PSK) вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените от 2% при 1147 оС до 0,8% при 727 оС.

Ледебурит — продукт эвтектической кристаллизации жидкости при 1147 оС, когда жидкость переходит в аустенитно-цементитную смесь.

В интервале температур 1147 — 727 оС ледебурит представляет собой смесь аустенита и цементита. При температуре ниже 727 оС (линия PSK) ледебурит состоит из смеси перлита и цементита, так как на линии PSK аустенит превращается в перлит. Схематично фазовые и структурные превращения в белых чугунах представлены на рисунке 1, б, а изображение их структур — на рисунке 2;

Рис.

б) эвтектический чугун содержит 4,3% углерода, структура — ледебурит. Других структурных составляющих нет, так как вся жидкость в этом чугуне имеет эвтектический состав (сплав II — рисунок 1) и кристаллизуется с образованием ледебурита;

в) заэвтектические чугуны содержат от 4,3 до 6,67% углерода, структура — цементит первичный и ледебурит. Цементит первичный выделяется из жидкости в интервале температур Т5Т6 (рисунок 1 — сплав III) в виде светлых пластин прямоугольной формы (рисунок 2).

Ледебурит, как и в предыдущих сплавах, образуется при кристаллизации жидкости на линии ECF (точка 6 для сплава III).

Рисунок 2 — Микроструктура (240) белого чугуна и схема её зарисовки (справа) а — доэвтектический белый чугун; б — эвтектический белый чугун;

в — заэвтектический белый чугун;

л — ледебурит; п — перлит; ц — цементит.

Серый чугун

В этих чугунах углерод весь или частично присутствует в виде графита, который имеет пластинчатую форму (рисунок 3, а). Форма графитовых включений хорошо видна на полированной нетравленой поверхности шлифа. Графит получается при распаде цементита (первичного, вторичного или эвтектоидного). Образованию графита способствуют медленное охлаждение жидкого чугуна и кремний, присутствующий в чугуне (1,5 — 3,0%). Металлическая основа серого чугуна зависит от степени графитизации.

Рисунок 3 — Форма включений графита в чугунах — микрофотографии и схемы зарисовки, а — пластинчатая; б — шаровидная; в — хлопьевидная.

По металлической основе серый чугун бывает следующих групп:

а) ферритный — весь углерод присутствует в виде графита. Структура — феррит и графит (рисунок 4, а);

б) перлитный; из общего количества углерода около 0,8% остаётся в связанном состоянии, а остальной графитизирован. Получается такой чугун в том случае, если графитизации подвергается только первичный и вторичный цементит, а цементит перлита не распадается. Структура — перлит и включения графита (рисунок 4, в);

в) ферритно-перлитный. Из общего количества углерода менее 0,8% находится в связанном состоянии в виде цементита, а остальной — в виде графита (рисунок 4, б).

Получается такой чугун вследствие распада всего первичного и вторичного цементита и частично распада эвтектоидного цементита, входящего в перлит. Структура — феррит, перлит и графит. Количество связанного углерода (Ссвяз) можно определить по отношению площадей, приходящихся на ферритные и перлитные зёрна.

где FП, Fф — площади перлитных и ферритных зёрен соответственно в % или частях к общей площади шлифа.

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун (2,5 — 3,5% С) отличается от обычного серого чугуна формой графитных включений. Получают его путём модифицирования серого чугуна магнием.

Магний способствует образованию графита шаровидной (глобулярной) формы (рисунок 3, б), что повышает механическую прочность чугуна. По металлической основе высокопрочный чугун может быть, как и серый, ферритным (ВЧ40−10), ферритно-перлитным (ВЧ45−5) и перлитным (ВЧ60−2) (рисунок 4, ж — и).

Ковкий чугун

Ковкий чугун (2,5 — 3% С) отличается хлопьевидной формой графитовых включений (см. рисунок 3, в). Такой чугун получают путём специальной термической обработки (графитизирующего отжига) отливок из белого чугуна.

Отжиг проводят при 950 оС (первая стадия) и 720 оС (вторая стадия). В процессе выдержек цементит разлагается с образованием графита хлопьевидной формы (графит отжига). По металлической основе ковкий чугун также может быть ферритным (КЧ 35−10), перлитным (КЧ 60−3) и ферритно-перлитным (КЧ40−5) (рисунок 4, г — е).

Рисунок 4 — Микроструктуры различных чугунов и схемы их зарисовки а, б, в — серый чугун; г, д, е — ковкий чугун; ж, з, и — высокопрочный чугун.

Итак, по форме графитовых включений чугун делят на серый, ковкий и высокопрочный. Форма графитовых включений зависит от способа производства. По металлической основе чугуны делят на ферритные, перлитные, ферритно-перлитные. Металлическая основа зависит от степени графитизации чугуна.

Литература

1.Тушинский, Л. И. Методы исследования материалов/ Л. И. Тушинский, А. В. Плохов, А. О. Токарев, В. Н. Синдеев. — М.: Мир, 2004. — 380 с.

2.Лахтин, Ю.М. Материаловедение/ Ю. М. Лахтин. — М.: Металлургия, 1993. — 448 с.

3.Фетисов, Г. П. Материаловедение и технология металлов/ Г. П. Фетисов, М. Г. Карпман и др. — М.: Высшая школа, 2001. — 622 с.

4.Евстратова, И.И. Материаловедение/ И. И. Евстратова и др. — Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. — 268 с.

5.Маркова, Н. Н. Железоуглеродистые сплавы/ Н. Н. Маркова. — Орел: ОрелГТУ, 2006. — 96 с.

6.Ильина, Л. В. Материалы, применяемые в машиностроении: справочное пособие/ Л. В. Ильина, Л. Н. Курдюмова. — Орел: ОрелГТУ, 2007.