Файл: Программа курса, лабораторный практикум и контрольные задания для студентовзаочников полной и.pdf

31 тов, подвергающихся ударам. Стали У10, У11, У12 применяют для инст- румента с высокой твердостью на рабочих гранях (НRС 62…64). Это на- пильники, пилы, метчики, резцы, калибры и т. д. Сталь У13 используют для инструментов, требующих наиболее высокой твердости: шаберов, гра- вировального инструмента. Высококачественные стали (например У12А) имеют то же назначение, что и качественные, но из-за большей вязкости их применяют для инструментов с тонкой режущей кромкой.
4. ЧУГУНЫ
Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более
2,14 % С и затвердевающие с образованием эвтектики, называемой леде- буритом. Чугун отличается от стали составом (более высоким содержани- ем углерода), лучшими литейными качествами, малой величиной пласти- ческой деформации. Чугун дешевле стали. Благодаря сочетанию высоких литейных свойств (жидкотекучести, температуры плавления), достаточной прочности и износостойкости, а также относительной дешевизне чугуны получили широкое распространение в машиностроении. Их используют для производства качественных отливок сложной формы. В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в этих сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны.
4.1. Белый чугун
Белыми называют чугуны, у которых весь углерод находится в связан- ном состоянии в виде цементита. Эти чугуны, фазовые превращения в ко- торых происходят согласно диаграмме Fe-Fe
3
C, подразделяют на доэвтек- тические, эвтектические и заэвтектические. При цеховой температуре структура белого доэвтектического чугуна состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита (рис. 1.9, а).
а
б
Рис. 1.9. Микроструктура белого чугуна: а – доэвтектический;
б – эвтектический белый чугун.
×725

32
Ледебуритная составляющая на металлографическом шлифе имеет вид светлых цементитных полей с равномерно расположенными на них относительно мелкими темными перлитными участками. Перлит занимает также крупные темные области. Вторичный цементит часто виден в виде светлых выделений по границам перлитных областей, а частично слива- ется с цементитом ледебурита. Эвтектический белый чугун имеет в своей структуре один ледебурит (рис. 4.1, б). Из-за большого количества цемен- тита белые чугуны тверды (HB4500 –5500 МПа), хрупки и для изготовле- ния деталей машин почти не используются. Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны (отливки из серого чугуна с поверхностным слоем белого чугуна). Из них изготавливают прокатные валки, лемеха плугов, тормозные колодки, вагонные колеса и другие детали, работаю- щие в условиях износа. Белый чугун используется также как передельный для получения с помощью графитизирующего отжига ковкого чугуна.
4.2. Серый чугун
Серыми называют чугуны, у которых весь углерод или часть его при- сутствует в свободном состоянии в форме графита. Термины белый и се- рый чугуны связаны с видом излома, определяемым наличием либо свет- лых кристаллов цементита, или темных кристаллов графита. Графит имеет практически нулевую прочность и пластичность. Он обеспечивает пони- женную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, высокие анти- фрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения, а также способствует гашению вибрации и резонансных колебаний. Кроме того, графит способствует при охлаждении отливки некоторому увеличению ее объема, чем обеспечивается хорошее заполнение формы.
Вместе с тем, включения графита снижают прочность и пластичность, так как нарушают сплошность металлической основы сплава. В зависимо- сти от формы графита различают обыкновенный серый чугун (графит пла- стинчатой формы), высокопрочный чугун (графит сферической формы) и ковкий чугун (графит хлопьевидной формы).
Обыкновенный серый чугун
–
это сплав сложного состава. Химический состав серого чугуна колеблется в пределах: 3,2–3,8 % С, 1–5 % Si, 0,5–0,9 %
Мn, 0,2–0,4 % Р, до 0,12 % S. Факторами, способствующими графитизации
(выделению углерода в свободном состоянии), являются низкая скорость ох- лаждения и наличие в химическом составе чугуна графитизирующих элемен- тов Si, Ni, Cu (препятствуют графитизации Mn, S, Cr, W). Практически, изме- няя в чугуне содержание кремния при постоянном количестве марганца,

33 получают различную степень графитизации. На рис. 1.10 показана микро- структура обыкновенного серого чугуна на феррито-перлитной основе.
На свойства серого чугуна оказывают большое влияние вид графито- вых включений, их размеры, характер металлической основы. От формы и количества графита зависит прочность и пластичность чугуна (от 0,5 % от- носительного удлинения при пластинчатой форме графита до 20 %
–
при шаровидной форме). Вытянутые пластинки графита фактически являются трещинами в металлической основе и сильными концентраторами напря- жений, на их концах при приложении нагрузки напряжения быстро дости- гают разрушающих величин. Твердость и износостойкость чугунов растет с увеличением перлита в металлической основе серого чугуна (различают чугуны с ферритной, феррито-перлитной и перлитной основой).
Обыкновенный серый чугун является одним из важнейших литейных машиностроительных материалов и характеризуется высокими литейными и механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием, высокой износостойкостью, нечувствительностью к поверхностным дефектам. Соглас- но ГОСТ 1412–85 установлены марки отливок из серого чугуна. Серый чугун маркируется буквами СЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение. Например, у чугуна марки СЧ25 временное сопротивление при растяжении ζ
в
= 250 МПа; твердость НВ = 1800
– 2500 МПа и структура металлической основы – феррит + перлит. Ферритные и феррито-перлитные серые чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ18 используют для слабо- и средненагруженных деталей: крышек, фланцев, маховиков, корпусов редук- торов и др. Перлитные серые чугуны СЧ21, СЧ25 применяют для деталей, ра- ботающих при повышенных статических и динамических нагрузках: это бло- ки цилиндров, картеры двигателей, поршни цилиндров, станины станков и пр.
Перлитные модифицированные серые чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 об- ладают наиболее высокими механическими свойствами. Их применяют при высоких нагрузках: в зубчатых колесах, гильзах двигателей, шпинделях, рас- пределительных валах и пр. Структура модифицированных чугунов – пер- литная основа с небольшим количеством изолированных пластинок графита.
4.3. Высокопрочный чугун
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаро- видную форму. Их получают модифицированием магнием, церием, иттри- ем, которые вводят в жидкий чугун в количестве 0,02–0,08 %. По структу- ре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным

34
(допускается до 20 % перлита) или перлитным (допускается до 20 % фер- рита). Шаровидный графит является более слабым концентратором напря- жений, чем пластинчатый графит, поэтому меньше снижает механические свойства чугуна (рис. 1.11). Высокопрочный чугун обладает более высокой прочностью и некоторой пластичностью. Маркируют высокопрочные чугу- ны по ГОСТ 7293–85 буквами ВЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение в десятках мега- паскалей. Например, высокопрочный чугун ВЧ 40 имеет временное сопро- тивление при растяжении 400 MПa, относительное удлинение – не менее 10
%, твердость НВ = 1400 – 2200 МПа, структура перлито-ферритная.
Рис. 1.10. Микроструктура серого чугу- на на феррито-перлитной основе
Рис. 1.11. Микроструктура высокопрочно- го чугуна на феррито-перлитной основе
Маркировка по предшествующему ГОСТ 7293–79 предусматривала дополнительное указание относительного удлинения в процентах, напри- мер, ВЧ 40-10. Обычный состав высокопрочного чугуна: 2,7–3,8 % С; 1,6–
2,7 % Si; 0,2–0,7 % Мn; ≤ 0,02 % S; ≤ 0,1 % Р. Из высокопрочных чугунов изготавливают прокатные валки, кузнечно-прессовое оборудование, кор- пуса паровых турбин, коленчатые валы и другие ответственные детали, ра- ботающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.
4.4. Ковкий чугун
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают путем специального графитизирующего отжига (том- ления) отливок из белых доэвтектических чугунов. Отливки загружают в специальные ящики, засыпают песком или стальными стружками для за- щиты от окисления и производят нагрев и охлаждение по схеме (рис. 1.12).
При температуре 950 – 1000 °С происходит графитизация эвтектического и избыточного цементита (превращение метастабильного цементита в ста- бильный графит и аустенит). При второй выдержке при температуре 720 – 740
°С графитизируется цементит образовавшегося перлита (иногда вместо вы- держки проводят медленное охлаждение от 770 до 700 °С в течение 30 ч, при

35 этом происходит кристаллизация по стабильной диаграмме с выделением уг- лерода в свободном состоянии). В результате продолжительного отжига весь углерод выделяется в свободном состоянии. Обычный состав ковкого чугуна
2,4–2,8 % С; 0,8–1,4 % Si; ≤1 % Мn; ≤0,1 % S; ≤ 0,2 % Р. Структура
–
ферритная или феррито-перлитная (рис. 1.13). Отсутствие литейных напряжений, снятых во время отжига, благоприятная форма и изолированность графитных включе- ний обусловливают высокие механические свойства ковких чугунов.
Рис. 1.12. Схема отжига бе- лого чугуна на ковкий
Из ковкого чугуна изготавливают детали высокой прочности, работаю- щие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знако- переменные нагрузки, в том числе клапаны, муфты, картеры редукторов, ко- ленчатые валы и др. Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ и двумя числами, первое из которых
–
минимальный предел прочности на растяжение в десятках мегапаскалей, а второе
–
относительное удлинение в %. Например, чугун КЧ
45-6 имеет временное сопротивление при растяжении 450 МПа, относи- тельное удлинение δ = 6 %, НВ = 2400 МПа и структуру – феррит + перлит.
а
б
Рис. 1.13. Мик- роструктура ковкого чугуна:
а – ферритная основа; б – фер- рито-перлитная основа

36
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ВЛИЯНИЕ ЗАКАЛКИ И ОТПУСКАНА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА
УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1. Научиться определять оптимальную температуру нагрева сталей под закалку методом пробной закалки.
1.2. Изучить влияние температуры нагрева под закалку и температуры отпуска на структуру и твердость стали.
1.3. Изучить влияние на твердость стали при закалке скорости охлаж- дения (вида охлаждающей среды) и содержания углерода в стали.
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
2.1. Ознакомление с методическими указаниями к лабораторной рабо- те и поставленной задачей.
2.2. Закалка образцов из углеродистой стали 40 с нагревом до различ- ных температур и охлаждением в воде и измерение твердости.
2.3. Закалка образцов из углеродистой стали 40 с охлаждением с раз- личной скоростью и измерение твердости.
2.4. Закалка образцов из углеродистых сталей с различным содержа- нием углерода и измерение твердости.
2.5. Отпуск образцов из стали 40, закаленных с оптимальной темпера- туры нагрева, и измерение твердости.
2.6. Построение графических зависимостей НВ = f (t
зак
); НВ= f (% С);
НВ= f (t
отп
).
2.7. Изучение микроструктур углеродистой стали 40 после различных температур закалки и отпуска.
2.8. Выводы по работе (о влиянии закалки и отпуска на структуру и свойства углеродистой стали).
3. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ
Термической обработкой называют технологические процессы, состоя- щие из нагрева, выдержки и охлаждения стальных деталей с целью измене- ния их структуры и свойств. Это один из самых распространенных в технике и самых эффективных способов изменения структуры и свойств сталей и сплавов, обусловленных протеканием различных фазовых превращений.
Классификация основных видов термической обработки была разра- ботана академиком А. А. Бочваром. Термическая обработка включает че- тыре основных вида: отжиг, закалку, отпуск и старение.

37
Отжигом называют вид термической обработки, при которой форми- руются близкие к равновесным структуры материалов, в которых неравно- весные состояния возникли в результате предшествующих видов воздейст- вия (литье, ковка, прокатка, сварка и т. п.). Существуют два основных типа отжига
–
отжиг первого рода, при котором могут не протекать фазовые пре- вращения, например, рекристаллизационный, и отжиг второго рода, сопро- вождающийся фазовыми превращениями (полный и неполный отжиги). При отжиге сталь охлаждают очень медленно, обычно вместе с печью.
Закалкой стали называют процесс, при котором металл нагревают до темпе- ратур выше температур фазовых превращений и быстро охлаждают для получе- ния неустойчивых состояний. При закалке сталь приобретает высокую твердость.
Отпуском предварительно закаленных сталей и сплавов называют технологические операции, проводимые с целью получения более устой- чивых структурных состояний. Термин отпуск применяют в тех случаях, когда при закалке материал претерпевает полиморфные превращения.
Старением называют процесс распада пересыщенных закаленных твер- дых растворов, в которых при закалке не происходило полиморфных пре- вращений. Как правило, этот процесс осуществляется при нагреве металла.
Возможность или невозможность проведения того или иного вида об- работки определяется на основании анализа диаграмм состояний. Основой для изучения термической обработки стали является диаграмма состояний железо-цементит. Приведем общепринятые обозначения критических то- чек. Критические точки обозначаются буквой А. Нижняя критическая точ- ка обозначается А
1
и соответствует линии PSK диаграммы. Верхняя крити- ческая точка А
3
соответствует линии GSE (рис. 3.5). Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву с
–
при нагреве и r
–
при охлаждении.
Рассматривая структурные превращения в стали, следует выделить три ос- новные структуры: аустенит (А, γ)
–
твердый раствор углерода в Fe
γ
; мартенсит
(М)
–
перенасыщенный твердый раствор углерода в Fe
α
; перлит (П)
–
эвтекто- идная смесь одновременно образующихся феррита и цементита (Ф + Fе
3
С).
При ТО стали наблюдаются четыре основных превращения:
1) превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки А
1 2) превращение аустенита в перлит, протекающее ниже точки А
1 3) превращение аустенита в мартенсит.
4) превращение мартенсита в феррито - карбидную смесь.