Контрольная работа по дисциплине "Материаловедение"

 

1. Опишите виды чугунов, приведите классификацию

чугунов по строению металлической основы

 

Сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода, называют чугуном. Присутствие эвтектики  в структуре чугуна (рис.1) обусловливает  его использование в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита  или графита или одновременно в виде цементита и графита. Цементит придает излому специфический светлый  блеск, поэтому чугун, в котором  весь углерод находится в виде цементита, называют белым. Графит придает  излому чугуна серый цвет. В зависимости  от формы графита и условий  его образования различают следующие  группы чугунов: серый, высокопрочный  с шаровидным графитом и ковкий.

Белый чугун. В практике находят  применение почти исключительно  доэвтектические белые чугуны. Эти  чугуны имеют структуру ледебурита, перлита и вторичного цементита. Структура белых чугунов представлена на рис.1.

 

                 

                              а                           б                          в

 

а – доэвтектический чугун – перлит (темные участки) и ледебурит;

б – эвтектический чугун – ледебурит (темные участки – перлит,

светлые – цементит); в – заэвтектический чугун – цементит (светлые

пластины) и ледебурит

 

Свойства ледебурита определяются тем, что в нем преобладает  и является основой цементит. Следовательно, ледебурит должен отличаться большой  твердостью и хрупкостью подобно  цементиту и по свойствам приближаться к последнему, но с некоторыми изменениями, вызываемыми присутствием включений  распавшегося аустенита, представляющего  смесь перлита с цементитом.

Таким образом, сочетание  аустенита (распавшегося) с ледебуритом  приводит к тому, что белые чугуны приобретают большую твердость  и хрупкость и не могут подвергаться механической обработке ни в холодном, ни в горячем виде. Чем больше в доэвтектических чугунах углерода (т.е. ледебурита), тем они должны быть более твердыми и хрупкими, и наоборот. Таковы свойства белых  чугунов в обычном состоянии, получаемом при отливке в формы  и сравнительно медленном охлаждении.

К белым чугунам обычно не применимы ни механическая, ни термическая  обработка, и они находят применение исключительно в виде отливок. Следовательно, для получения наилучших качеств  материала в изделиях из белого чугуна главным образом надо обращать внимание на условиях их отливки и получающуюся в связи с этим структуру.

Такими изделиями являются, например, прокатные валки или  литые вагонные колеса (называемые колесами Гриффина). Они отливаются обычно из чугуна с 3…3,5% С и небольшим  количеством других примесей. При  этом условии литье бывает таково, что белый чугун получается не по всей толщине, а лишь на большей  или меньшей толщине от поверхности; далее же, вглубь отливки, получается уже серый чугун. Такие изделия  называют отливками с отбеленной поверхностью или отливками из закаленного  чугуна, потому что получающийся на поверхности белый чугун имеет  большую твердость (порядка 350 НВ и  выше), значительно превосходящую  твердость серого чугуна и приближающуюся к твердости получаемой при закалке  стали.

Чугуны с отбеленной поверхностью имеют и другое применение, например для волочильных досок, плужных  лемехов, штампов, но в качестве машиностроительного  материала в технике больше употребляется  серый и ковкий чугун.

Относительно белых чугунов  следует заметить, что они в  большом количестве производятся в  качестве полупродукта в виде так  называемых передельных чугунов для получения из низ стали. В таких чугунах свойство и структура в исходном состоянии не имеют значения, а главное – их состав, т.е. содержание углерода и количество и природа примесей, на которые преимущественно обращается внимание при их приемке.

Серый чугун. Серый чугун (технический) представляет собой по существу тройной сплав железа, углерода и кремния (Fe – Si – C). В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Характерная особенность структуры серых чугунов, определяющая многие его свойства, заключается в том, что графит имеет форму пластинок. Наиболее широкое применение получили доэвтектоидные чугуны, содержащие, содержащие 2,4…3,8%С. Чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В связи с этим количество углерода в чугуне обычно не превышает 38%. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не меньше 2,4%.

Структура чугуна в отливках зависит в первую очередь от химического  состава (содержания углерода и кремния) и скорости кристаллизации.

В связи с тем значением, какое имеет графит в серых  чугунах, естественно, возникает вопрос, какие факторы способствует образованию  этого графита. Если рассматривать  чугуны как чистые железоуглеродистые сплавы (без примесей), главным фактором нужно принять скорость охлаждения жидкого чугуна при отливке, а  затем температуру и время  выдержки расплавленного чугуна перед  отливкой. Скорость охлаждения влияет таким образом, что при длительном охлаждении вместо белого может образоваться серый чугун.

Что же касается температуры  и времени выдержки жидкого чугуна перед отливкой, то этот фактор влияет главным образом на величину (размеры) графитных выделений. Установлено, что чем больше перегрев жидкого  чугуна, т.е. чем выше его нагрев над  линией ликвидуса и чем дольше время выдержки при этом, тем мельче получаются графитные включения (при  прочих равных условиях).

Путем изменения, с одной  стороны, содержания в чугуне углерода и кремния и, с другой стороны, скорости охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы чугуна. При данном содержании углерода чем больше в чугуне кремния, тем полнее протекает процесс графитизации. Чем больше в чугуне углерода, тем меньше требуется кремния для получения заданной структуры.

Следовательно, содержание кремния надо увеличивать в отливке  небольшого сечения, охлаждающей ускоренно, или в чугуне с меньшим содержанием  углерода. В толстых сечениях отливок, охлаждающихся медленно, процесс  графитизации протекает полнее, и  содержание кремния может быть меньше.

Количество марганца в  чугуне не превышает 1,25…1,4%. Марганец препятствует процессу графитизации, т.е. затрудняет выделение графита и повышает способность чугуна к отбеливанию (к появлению, особенно в поверхностных  слоях, структуры белого или половинчатого  чугуна).

Сера является вредной  примесью, ухудшающей механические и  литейные свойства чугуна, поэтому  ее содержание ограничивают до 0,1…0,12%. В сером чугуне сера образует сульфиды (FeS, MnS) или их твердые растворы (Fe, Mn)S.

Содержание фосфора в  сером чугуне приблизительно 0,2%, но иногда допускается даже 0,5%. При  повышенном содержании фосфора в  структуре чугуна образуются твердые  включения фосфоридной эвтектики: в серых чугунах – двойной (Fe₃P и аустенит). Образование эвтектики улучшает литейные свойства чугуна (повышает жидкотекучесть), при этом увеличивается хрупкость отливок.

Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным  образом графитной составляющей.

Чугун можно рассматривать  как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих  металлическую основу структуры. В  этом случае механические свойства будут  зависеть от количества, величины и  характера распределения включений  графита. Чем меньше графитовых включений, чем они меньше и больше степень  изолированности их друг от друга, тем  выше прочность чугуна. Чугун с  большим количеством прямолинейных  крупных графитовых выделений, разделяющих  его металлическую основу, имеет  грубозернистый излом и низкие механические свойства. Чугун с мелкими и  завихренными графитными выделениями  обладает более высокими свойствами.

Пластинки графита уменьшают  сопротивление отрыву, предел прочности  и особенно пластичность чугуна. Относительное  удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств металлической  основы практически равно нулю (менее  или равно 0,5%). Графитовые включения мало влияют на снижение предела прочности при сжатии и твердости, величина которых определяется главным образом структурой металлической основы чугуна. При сжатии чугун претерпевает значительные деформации, и разрушении имеет характер среза под углом 45⁰. Разрушающая нагрузка при сжатии, в зависимости от качества чугуна и его структуры, в 3-5 раз больше, чем при растяжении, поэтому чугун рекомендуется использовать преимущественно для изделий, работающих на сжатие.

Пластинки графита менее  значительно, чем при растяжении, снижают прочность и при изгибе, так как часть изделия испытывает сжимающие напряжения. Предел прочности  при изгибе имеет промежуточное  значение между пределом прочности  на растяжение и пределом прочности  на сжатие. Твердость чугуна в зависимости  от металлической основы НВ 143…255.

Графит, нарушая сплошность металлической основы, делает чугун  малочувствительным к всевозможным внешним концентраторам напряжений (дефектам поверхности, надрезам, выточкам и т.д.). Вследствие этого серый  чугун имеет примерно одинаковую конструктивную прочность в отливках простой формы или с ровной поверхностью и сложной формы с надрезом или плохо обработанной поверхностью. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» действия и повышения прочности пленки смазки. Очень важно, что графит улучшает обрабатываемость резанием, делая стружку ломкой.

Металлическая основа в сером  чугуне обеспечивает наибольшую прочность  и износостойкость, если она имеет  перлитную структуру. Присутствие  в структуре феррита, не увеличивая пластичности и вязкости чугуна, снижает  его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает ферритный  серый чугун. Структуры серых чугунов представлены на рис.2.

Серый чугун маркируется  буквами С – серый и Ч  – чугун. После букв следуют цифры, которые указывают среднюю величину предела прочности при растяжении. Например, СЧ-18 имеет предел прочности  при растяжении 18 кгс/мм² (180 МПа).

Высокопрочный чугун с  шаровидным графитом. Высокопрочный  чугун получают присадкой в жидкий чугун небольших добавок некоторых  щелочных или щелочноземельных металлов. Чаще для этой цели применяют магний в количестве 0,03…0,07%. По содержанию остальных элементов высокопрочный  чугун не отличается от обычного серого.

 

                    а                                          б                                          в

 

Рис.2 Микроструктура серых чугунов:

а – на ферритной  основе: б – на ферритно-перлитной  основе; в – на перлитной основе

 

Под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает  не пластинную, а шаровидную форму (рис. 3). Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, чем пластинчатый графит. В отличие от пластинчатого шаровидный графит не является активным концентратором напряжений. Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость и т.д.

Маркируют высокопрочный  чугун буквами ВЧ, затем следуют  цифры. Первые цифры марки показывают среднее значение предела прочности  при растяжении, вторые – относительное  удлинение. Например, высокопрочный  чугун ВЧ 80-4 имеет предел прочности  при растяжении 80 кгс/мм² (800 МПа) и относительное удлинение 4%.

 

                                           

Рис. 3. Микроструктура чугуна с шаровидным

графитом (нетравленый)

 

Отливки из высокопрочного чугуна широко используют в различных  отраслях народного хозяйства: в  автостроении и дизелестроении для коленчатых валов, крышек цилиндров и других деталей; в тяжелом машиностроении – для многих деталей прокатных станов; в кузнечно-прессовом оборудовании, например для шабот-молотов, траверс прессов, прокатных валков; в химической и нефтяной промышленности – для корпусов насосов, вентилей и т.д. Высокопрочные чугуны применяют и для изготовления деталей станков, кузнечно-прессового оборудования, работающих в подшипниках и других узлах трения при повышенных и высоких давлениях (до 12 МПа).

Ковкий чугун. Ковкий чугун  получают длительным нагревом при высоких  температурах (отжигом) отливок из белого чугуна. Отжиг проводят в две стадии. Первоначально отливки (чаще упакованные  в ящики с песком) выдерживают  при 950…970⁰С. В этот период протекает 1 стадия графитизации, т.е. распад цементита, входящего в состав ледебурита (А + Fe₃C), и установление стабильного равновесия аустенит + графит. В результате распада цементита диффузионным путем образуется хлопьевидный графит (углерод отжига). Затем отливки охлаждают до температур 720…740⁰С, соответствующих интервалу эвтектоидного превращения. При охлаждении происходит выделение из аустенита вторичного цементита, его распад и в итоге рост графитных включений. При достижении эвтектоидного интервала температур охлаждение резко замедляют или дают длительную выдержку при температуре несколько ниже этого интервала.