Структура и свойства чугунов
Сплавы, содержащие > 2,14 %С (правее т. Е на диаграмме «железо-цементит», см. рис. 2.1.1), называются чугунами.
Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой Fe-Ц, называются белыми (из-за светлого оттенка излома, обусловленного большим количеством цементита в структуре). Из диаграммы Fe-Ц следует, что затвердевание этих сплавов происходит при Т £ 1147 оС непосредственно ниже линии солидус ЕCF в результате превращения
охл
Жс ® АЕ + Ц. (2.3)
Такое превращение (затвердевание жидкой фазы в смесь двух твердых при фиксированном составе фаз и постоянной температуре) называется эвтектическим1, а образующаяся смесь кристаллов – эвтектикой (греч. – «легко плавящаяся» – из диаграммы Fe-Ц видно, что чугуны имеют наименьшую температуру плавления среди железоуглеродистых сплавов).
Эвтектика в белых чугунах называется ледебуритом (по фамилии исследователя – Ледебура). В момент образования (см. (2.3)) она состоит из аустенита и цементита, но при Т£ 727 оС аустенит превращается в перлит (напомним, что РSК – линия эвтектоидного – перлитного превращения, см. (2.1)). Поэтому при нормальных температурах ледебурит(Л) – сложная структурная составляющая; представляет собой светлую цементитную основу с темными включениями перлитных зерен.
По структуре белые чугуны делятся на доэвтектические(2,14…4,3 %С) со структурой Л+П+ЦII, эвтектические(4,3 %С)– Л и заэвтектические (4,3…6,67 %С) – Л+ЦII.
Наличие легкоплавкой эвтектики (ледебурита) в белых чугунах обеспечивает их высокие литейные свойства.
Механические же свойства этих сплавов можно оценить, экстраполировав зависимости, показанные на рис. 2.1.3, на содержание углерода > 2,14 %.
Видно, что белые чугуны обладают очень высокой твердостью, но низкими значениями пластичности, ударной вязкости и прочности, что является следствием большого количества цементита в структуре (о свойствах Ц – в разделе 2.1.1). Поэтому белые чугуны как конструкционные материалы не используются.
На практике в качестве дешевых литейных конструкционных материалов широко применяются серые чугуны.
Принципиальное отличие структуры серых чугунов от белых в том, что углерод в них находится не в химически связанном состоянии (т.е. в виде Fe3C – цементита), а в свободном – в виде включений графита[14] различной формы.
Уровень механических свойств серых чугунов зависит от двух основных структурных факторов:
1) формы (и количества) графитных включений,
2) структуры металлической основы.
По первому признаку эти сплавы делятся:
1) на собственно серые чугуны (СЧ), в которых графит имеет форму длинных заостренных пластин. Разновидностью этих чугунов являются модифицированные СЧ, в которых пластинки графита мелкие и имеют завихренную форму;
2) высокопрочные чугуны (ВЧ) с шаровидным (глобулярным) графитом;
3) ковкие чугуны (КЧ) с хлопьевидным графитом.
Структура металлической основы любого из этих чугунов может быть одного из трех видов: феррит (Ф), феррит+перлит (Ф+П) и перлит (П).
В табл. 2.1 в качестве примера приведены некоторые марки и механические свойства различных видов серых чугунов.
Таблица 2.1
Классификация, маркировка и механические свойства
различных видов серых чугунов
| Марка чугуна | sв, МПа (кгс/мм2) | d, % | Структура металличес- кой основы | Форма графитных включений | |||
| С е р ы е ч у г у н ы (ГОСТ 1412-85) | |||||||
 СЧ 10
| 100(10) | »0 | Ф |
| |||
| СЧ 18 | 180(18) | »0 | Ф+П | ||||
 СЧ 30
| модифицированный | 300(30) | »0 | П | 
| ||
| СЧ 45 | 450(45) | »0 | П | ||||
| В ы с о к о п р о ч н ы е ч у г у н ы (ГОСТ 7293-85) | |||||||
| ВЧ 38 | 380(38) | Ф | 
| ||||
| ВЧ 45 | 450(45) | Ф+П | |||||
| ВЧ 120 | 1200(120) | П | |||||
| К о в к и е ч у г у н ы (ГОСТ 1215-79) | |||||||
| КЧ 30-6 | 300(30) | Ф | 
| ||||
| КЧ 45-6 | 450(45) | Ф+П | |||||
| КЧ 80-1,5 | 800(80) | 1,5 | П |
Очевидно, что механические свойства чугуна данного вида (т.е. с определенной формой графитных включений) определяются структурой металлической основы, т.к. от феррита к перлиту увеличивается содержание углерода, соответственно растут твердость и прочность, падают пластичность и ударная вязкость (см. рис. 2.1.3).
Свойства чугунов с данной структурой металлической основы зависят от формы графитных включений. Наихудшая форма графита в СЧ, т.к. острые концы пластин при нагружении являются очагами зарождения микротрещин. Особо низкий комплекс механических свойств получается, если пластин графита так много и они настолько длинны, что разобщают металлическую основу (матрицу) чугуна (см. табл. 2.1).
По сути любые серые чугуны представляют собой углеродистые доэвтектоидные (Ф+П), эвтектоидные (П) стали или техническое железо (Ф) (см. тему 2.1.1) с включениями графита. Очевидно, что графит уменьшает прочность и пластичность металлической основы. Поэтому чугуны имеют более низкие механические свойства по сравнению с углеродистыми сталями. Однако от сталей они отличаются более высокими литейными свойствами, низкой стоимостью, нечувствительностью к дефектам поверхности, демпфирующими и антифрикционными свойствами.
Итак в данной теме (2.1) было показано, как изменяется структура и механические свойства промышленных железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов) в зависимости от содержания углерода. Наиболее важным пунктом этой темы являются зависимости механических свойств, представленные на рис. 2.1.3, поскольку они являются основой классификации сталей по назначению.
Следует, однако, подчеркнуть, что приведенный на этом рисунке комплекс механических свойств соответствует сталям в равновесном[15] состоянии (т.е. со структурами, формирующимися по диаграмме состояния Fe-Fе3C).
На практике все ответственные стальные изделия подвергают специальной упрочняющей термической обработке, в результате которой качественный характер зависимостей механических свойств от содержания углерода (рис. 2.1.3) сохраняется, но количественные показатели вследствие структурных превращений существенно изменяются.
Таким путем добиваются улучшения механических свойств сталей с данным содержанием углерода (т.е. различных марок; например, твердость эвтектоидной стали У8 можно повысить в » 4 раза).
Обсуждение явлений, происходящих в процессе упрочняющей термической обработки сталей, – следующая тема 2.2.
Внимание!
Раздел 2.1 - первый раздел «Опорного конспекта», посвященный конкретным промышленным сплавам – углеродистым сталям и чугунам (наиболее применяемым материалам машиностроения). Особое внимание следует обратить на зависимость структуры и механических свойств сталей от содержания углерода, а также на структурные превращения, происходящие в сталях при их медленном охлаждении от высоких температур. Важно усвоить, что окончательная структура сталей формируется в результате перлитного превращения (А 
Ф + Ц при t ≤ 727 оС), обусловленного явлением полиморфизма в этих сплавах.
В следующей теме 2.2 будет показано, как влияет ускоренное охлаждение стали из аустенитного состояния на ее структуру и механические свойства. Происходящие при таком охлаждении процессы реализуются при закалке сталей, являющейся первым этапом упрочняющей термической обработки.
Заметим также, что знание материала темы 2.1 необходимо для выполнения контрольных работ. Учитывая все это, рекомендуем помимо изучения данной темы выполнить лабораторные работы 4 и 5 (или хотя бы ознакомиться с их содержанием), а также не забыть про вопросы для самопроверки.
Вопросы для самопроверки к теме 2.1
1. Попробуйте начертить по памяти диаграмму состояния Fe-Fe3C (без левого верхнего угла) и указать характерные критические температуры и концентрации углерода, соответствующие различным группам сплавов.
2. Охарактеризуйте фазы, присутствующие в углеродистых сталях и белых чугунах. Каковы механические свойства этих фаз?
3. Какова причина наличия двух твердых растворов углерода в железе?
4. Укажите фазы в двухфазных областях диаграммы.
5. Какое превращение формирует окончательную структуру углеродистых сталей?
6. Каковы концентрационные интервалы (по содержанию С) и структуры эвтектоидной, до – и заэвтектоидных сталей?
7. Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в равновесном состоянии; что она собой представляет?
8. Каково содержание углерода в эвтектическом, до - и заэвтектических белых чугунах? Каковы их структуры?
9. Нарисуйте по памяти (качественно) зависимость механических свойств железоуглеродистых сплавов от содержания углерода. Объясните ее.
10. На чем основана классификация углеродистых сталей по назначению? Приведите несколько марок сталей различного назначения, укажите содержание в них углерода.
11. Почему белые чугуны не используют в качестве конструкционных материалов?
12. От каких структурных факторов зависят механические свойства серых чугунов?
13. Назовите различные виды серых чугунов. На чем основана эта классификация? Какова маркировка этих сплавов?
14. Опишите структуру наиболее прочного (теоретически) из всех разновидностей серых чугунов.
Промежуточные тесты к теме 2.1
I. Каково максимальное (теоретически) содержание углерода в сталях (в %)?
1. 6,67.
2. 0,8.
3. 2,14.
4. 1,2.
5. 4,3.
II. Укажите все кристаллические фазы, присутствующие в железоуглеродистых сплавах:
1) перлит;
2) феррит;
3) цементит;
4) ледебурит;
5) аустенит.
III. Укажите номера всех типовых структур металлической основы различных видов серых чугунов:
1) феррит;
2) ледебурит;
3) феррит + перлит;
4) ледебурит + цементит первичный;
5) перлит.
IV. Наличием какой фазы в структуре серые чугуны отличаются от белых?
1. Аустенит.
2. Графит.
3. Цементит.
4. Перлит.
5. Феррит.
V. Какой химический элемент преобладает в сталях?
1. Углерод.
2. Хром.
3. Железо.
4. Никель.
5. Кислород.
VI. С какой из перечисленных структур чугун должен обладать наибольшей прочностью?
1. Шаровидный графит (Г) + феррит (Ф).
2. Шаровидный Г + перлит (П).
3. Пластинчатый Г + П.
4. Хлопьевидный Г +Ф + П.
5. Хлопьевидный Г + Ф.
VII. Из каких фаз формируется равновесная структура углеродистых сталей и белых чугунов при нормальных температурах?
1. Аустенит.
2. Феррит.
3. Цементит.
4. Ледебурит.
5. Перлит.
VIII. Как изменяются твердость и пластичность углеродистых сталей с увеличением содержания в них углерода?
1. Твердость и пластичность растут.
2. Твердость и пластичность падают.
3. Твердость растет, пластичность падает.
4. Твердость падает, пластичность, пластичность растет.
5. Твердость растет, пластичность не изменяется.
IX. Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в равновесном состоянии при комнатной температуре?
1. Феррит.
2. Цементит вторичный.
3. Перлит.
4. Аустенит.
5. Ледебурит.
X. По каким из перечисленных характеристик серые чугуны выгодно отличаются от углеродистых сталей?
1. Антифрикционные свойства.
2. Стоимость.
3. Литейные свойства.
4. Прочность.
5. Пластичность.
XI. Какой из перечисленных материалов обладает наибольшей пластичностью?
1. Эвтектоидная сталь.
2. Доэвтектоидная сталь.
3. Ковкий чугун на ферритной основе.
4. Доэвтектический белый чугун.
5. Техническое железо.