Крім цих ліній на діаграмі є і дві нові - лінії так званого сольвусу, тобто обмеженої розчинності у твердому стані - FH і GI. Перша з них показує границю розчинності компонента В у компоненті А, тобто граничний вміст компонента В в -твердому розчині. Відповідно, лінія GI є граничним вмістом компонента А в -твердому розчині. З положення цих ліній видно, що взаємна розчинність компонентів із зниженням температури зменшується.

Вказані лінії діаграми ділять її площу на 3 однофазні та 3 двофазні області. До однофазних належать область рідкого розчину (вище лінії ліквідусу CED), область CFHA -фази і область DGIB -фази. Двофазними є області CEF і DEG, в яких відбувається кристалізація первинних кристалів відповідно - і -твердих розчинів, а також область існування двох твердих розчинів і - HFGI.. В цій області відбувається вторинна кристалізація, в якій, на відміну від первинної, не бере участі рідка фаза. Вторинна кристалізація полягає в тому, що після первинної кристалізації будь-якого сплаву, що лежить між точками H і I, і в складі структури якого є - чи -тверді розчини, ці тверді розчини при подальшому охолодженні до температур ліній сольвусів FH чи GI стають насиченими, а нижче цих ліній - перенасиченими. Оскільки стан перенасиченого твердого розчину є незрівноваженим, починається його розпад із виділенням надлишкового компонента.

Найчастіше це відбувається на межах зерен відповідного твердого розчину у вигляді окремих дисперсних часток або суцільних прошарків (див.рис.4.6).

Рис. 4.5 Діаграма стану (а) і криві охолодження (б) системи з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стан і евтектичним перетворенням

Як приклад розглянемо процеси кристалізації двох сплавів II і III. Первинна кристалізація сплаву II відбувається в інтервалі температур 4-5, де вся рідина закристалізується у вигляді -твердого розчину. До точки 6, яка знаходиться на лінії сольвусу FH , цей розчин є ненасиченим компонентом В, у точці 6 він стає гранично насиченим, а нижче від неї - перенасиченим і при подальшому його охолодженні до точки 7 з нього виділяється надлишковий елемент - компонент В у вигляді -твердого розчину (рис.4.6).

Рис. 4.6 Схеми мікроструктури сплаву II (рис.4.5)

Таку остаточну структуру мають усі сплави в області FHF1 діаграми. Оскільки вторинна кристалізація відбувається в твердому стані при невисоких температурах, дифузія йде досить повільно і вторинна кристалізація за описаним механізмом може відбутися достатньо повно тільки в умовах дуже повільного охолодження. В реальних же умовах кристалізації зберігається певне перенасичення -фази компонентом В. Але перенасичений твердий розчин є нестійким і в подальшому довільно розпадається, що супроводжується суттєвою зміною властивостей сплаву, перш за все - механічних: підвищенням твердості та міцності, зниженням пластичності і в'язкості. Таке явище називається старіння або дисперсійне твердіння, яке широко використовується при термічній обробці кольорових металів, зокрема алюмінієвих сплавів (див. лаб.роботу № 9).

Аналогічно відбувається кристалізація сплавів, що знаходяться між точками G та I (наприклад, сплаву VI). Тільки в цих сплавах перенасиченим розчином є -твердий розчин і з нього виділяється при охолодженні нижче лінії GI надлишковий компонент А у вигляді -твердого розчину.

Кристалізація сплаву III відбувається в три етапи. На першому з них, в інтервалі температур 8-9, з рідини виділяється первинні кристали -фази. Склад рідини при цьому змінюється вздовж лінії ліквідусу від точки 8 до евтектичної точки Е, а склад -фази - по лінії солідусу від точки 11 до точки F. Другим етапом є евтектична кристалізація в точці 9:

РЕ (F +G).

Нижче від неї до точки 10 (до кімнатної температури) проходить вторинна кристалізація - розпад перенасиченого -твердого розчину з виділенням вторинних кристалів II. Водночас відбувається розпад -твердого розчину, що входить до складу евтектики, з виділенням вторинних кристалів II.. Але вторинні кристали II i II не утворюють нових окремих структурних складових, а виділяються на вже існуючих тих же фазах евтектики. Тому остаточна структура цього сплаву III, як і будь-якого іншого доевтектичного сплаву, має всього дві складові: первинні кристали -фази та евтектику (+), як показано на рис.4.7.

Рис. 4.7 Схема мікроструктури сплаву доевтектичного складу

Кристалізація будь-якого заевтектичного сплаву відбувається аналогічно, лише - і -фази міняються місцями.

3.2. Діаграми стану з перитектичним перетворенням (рис.4.8)

Цей варіант діаграми реалізується тоді, коли температури кристалізації компонентів дуже відрізняються.

Лінія ліквідусу - CPD, солідусу - CNPD, сольвусу - NR I MQ.

Діаграма має три однофазні області: рідкого розчину (вище від лінії ліквідусу), -фази (ACNRA), -фази (QMDBQ) та три двофазні - рідини та кристалів (CNPC), рідини та кристалів (MPDM), кристалів - і -твердих розчинів (RNMQR). В останній області можна виділити окремо області RNN1R з -фазою та вторинними кристалами II - (+II) і MQM1M (+II).

На лінії NMP відбувається перитектичне перетворення: рідина та кристали, що раніше виділилися з неї, у взаємодії між собою утворюють нову тверду фазу: РР+NM. (читається: рідина складу точки Р і кристали -фази складу точки N перетворюються на кристали -фази складу точки М). Остання реакція перитектичного перетворення відбувається з повним використанням двох вихідних фаз лише для одного сплаву - складу точки МI. Для будь-якого іншого сплаву одна з вихідних фаз буде надлишковою і частина її залишиться після перитектичного перетворення. Так, для будь-якого сплаву, що лежить між точками N і M (наприклад, сплаву III), надлишковою фазою буде -фаза, а для сплавів між точками M і P (наприклад, сплавів IV i V) надлишковою фазою буде рідина.



Рис. 4.8 Діаграма стану системи з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані і перитектичним перетворенням

Структура сплаву III після повного охолодження складатиметься з кристалів -фази, що утворилися при перитектичному перетворенні, та кристалів -фази, що вціліли при перитектичному перетворенні (рис.4.9, а). При охолодженні цього сплаву від точки 8 до точки 9 з цих фаз виділяються вторинні кристали (відбувається вторинна кристалізація: II ; II ), але нові структурні складові, як це було зазначено раніше, не утворюються.

В сплаві IV при охолодженні від точки 1 до точки 2 з рідини виділяються первинні кристали -твердого розчину, склад яких змінюється по лінії солідусу від точки 6 до точки N. Водночас склад рідини змінюється вздовж лінії ліквідусу від точки 1 до точки Р. На лінії NM фази такого складу взаємодіють між собою за перитектичною реакцією з утворенням -фази. Після перитектичного перетворення в точці 2 залишиться в надлишку рідка фаза і при охолодженні від точки 2 до точки 3 з неї виділяються вже первинні кристали -твердого розчину. При охолодженні сплаву IV від точки 3 до точки 4 матимемо однофазний -твердий розчин, в якому ніяких змін не буде. В точці 4 -твердий розчин стає гранично насиченим компонентом А і при подальшому його охолодженні в інтервалі температур 4-5 відбувається вторинна кристалізація з виділенням кристалів II (рис.4.9, б)



Рис. 4.9 Схеми мікроструктур сплавів III (а) і IV (б) (рис.4.8)

4. Діаграми стану систем з хімічними сполуками

У подвійних системах можуть утворюватись хімічні сполуки між компонентами загальною формулою АmBn. Найчастіше ці хімічні сполуки утворюються безпосередньо з рідини: РАm Bn

Конкретний вигляд діаграми визначається взаємодією її компонентів, передусім розчинністю їх у твердому стані, а також наявністю певних перетворень. При цьому хімічна сполука розглядається як окремий компонент. На рис. 4.10 показані два можливих варіанти: а - з відсутністю розчинності компонентів у твердому стані і б - з утворенням обмежених твердих розчинів на основі як чистих компонентів, так і хімічної сполуки -- -, - і -фаз.

Рис. 4.10 Діаграми стану систем з хімічними сполуками

Систему, діаграма стану якої зображена на рис. 4.10, а, можна розглядати як сукупність двох систем з компонентами А і АmBn та B і AmBn.. Ці дві системи розділені вертикаллю FK. У кожній з підсистем утворюється власна евтектика - Е1 як суміш двох фаз - (А + АmBn) і Е2 ( В+ АmBn). Кристалізація і формування структур, наприклад, сплавів I, II, III, IV відбувається аналогічно тим, що були розглянуті нами в п.2 та на рис.4.3 цієї лабораторної роботи.

Для систем, діаграма стану яких показана на рис.4.10, б, характерним є утворення обмежених твердих розчинів: твердого розчину хімічної сполуки AmBn в компоненті А -- -фази; твердого розчину хімічної сполуки в компоненті В -- -фази та твердих розчинів компонентів А і В в хімічній сполуці - відповідно 1-фази і 2-фази. Зазвичай ці тверді розчини 1 і 2 розглядаються як один твердий розчин -- -фаза. Тому на діаграмі (роис.4.10, б) область FIMLHF розглядається як однофазна з твердим розчином . Пунктирна лінія FF1 ділить цю область на дві частини: ліворуч від неї -фазу можна вважати твердим розчином компонента А в хімічній сполуці AmBn, праворуч - твердим розчином компонента В в цій же сполуці.

Евтектики в цій системі складаються з суміші кристалів твердих розчинів:

Е1(+), Е2(+)

Кристалізація сплавів і формування остаточних структур в цій системі відбувається аналогічно розглянутих в п.3.1 і на рис.4.5 цієї лабораторної роботи.

5. Діаграми стану систем з поліморфними компонентами.

Поліморфні перетворення одного або обох компонентів сплаву суттєво змінюють його структуру і властивості. Такі перетворення є в багатьох промислових сплавах, наприклад, сплавах заліза, титану та ін.

Конкретний вигляд діаграми стану визначається не тільки взаємодією компонентів, а і їх поліморфних модифікацій. Крім того важливу роль відіграє наявність або відсутність взаємної розчинності компонентів та їх поліморфних модифікацій у твердому стані. Тому діаграми стану з поліморфними компонентами надзвичайно численні. Розглянемо тільки одну систему, в якій обидва компоненти є поліморфними і їх високотемпературні модифікації (А і В) утворюють неперервний ряд -твердих розчинів (рис.4.11), а низькотемпературні А і В - обмежені - і 1- тверді розчини.

Лінії KE і EL, на яких починається перетворення -твердого розчину, перетинаються в одній точці Е, яка називається евтектоїдною, а лінія GEH -- лінією евтектоїдного перетворення: Е(G+1H) (читається: твердий розчин складу точки Е розкладається на суміш двох фаз -- твердого розчиу складу точки G і твердого розчину 1 складу точки Н.

Рис. 4.11 Діаграма стану системи, компоненти якої мають поліморфні перетворення

Лінії GF i HI на діаграмі стану є лініями сольвусу.

Сплави в інтервалі між точками G і E називаються доевтектоїдними, а сплави в інтервалі між точками E і H -- заевтектоїдними. Схеми структур цих сплавів зображуються аналогічно тим, які зображені на рис.4.4.

Завдання на роботу.

1. Уважно вивчити теоретичний матеріал, викладений у цих методичних вказівках і в лекціях.

2. Зробити аналіз діаграми стану у відповідності з таблицею 4.1:

- дати загальне визначення системи, представленої на рис.3.12

- описати процес кристалізації заданого сплаву з температури рідкого стану до кімнатної;

- показати криву охолодження заданого сплаву;

- визначити, які фази та які структурні складові будуть у Вашому сплаві при кімнатній температурі;

- визначити кількість цих фаз та структурних складових при кімнатній температурі;

- показати схему структури сплаву при кімнатній температурі.

3. Скласти звіт про роботу, в якому повинно бути: рисунок діаграми стану заданої Вам системи; лінія вашого сплаву на діаграмі стану; крива охолодження сплаву з рідкого стану до кімнатної температури (поруч з діаграмою стану); описання процесу кристалізації сплаву і перетворень, які відбуваються в сплаві після його кристалізації, тобто в твердому стані, включно до кімнатної температури; розрахунки кількості фаз і структурних складових у сплаві при кімнатній температурі; рисунок структури заданого сплаву при кімнатній температурі; висновки про роботу.

метал сплав термічний вуглецевий

№ варіанту	Рисунок	Сплав	№ варіанту	Рисунок	Cплав
1	4.12,в	1	8	4.12,б	II
2	4.12,а	III	9	4.12,е	I
3	4.12,б	I	10	4.12,а	I
4	4.12,е	IV	11	4.12, г	III
5	4.12,а	II	12	4.12,е	II
6	4.12,в	II	13	4.12, г	II
7	4.12, г	I	14	4.12,е	III



Рис. 4.12 Діаграми стану для індивідуального завдання

Контрольні питання для самопідготовки

1. Який сплав називається евтектичним?

2. Як формулюється і записується правило важеля?

3. Як формулюється правило фаз?

4. Як виглядають діаграми стану систем:

- з необмеженою розчинністю компонентів;

- з цілковитою нерозчинністю компонентів;

- з обмеженою розчинністю компонентів;

- з хімічними сполуками;

- з поліморфними компонентами.

5. Яке перетворення називається евтектичним? Як записується його реакція?

6. Яке перетворення називається перитектичним та як записується його реакція

7. Яке перетворення називається евтектоїдним та як записується його реакція?

5. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5

ДІАГРАМА СТАНУ СПЛАВІВ СИСТЕМИ ЗАЛІЗО - ВУГЛЕЦЬ

Мета роботи: вивчення діаграми стану залізовуглецевих сплавів, аналіз перетворень, які проходять у сплавах при охолодженні та нагріванні, визначення фазового та структурного стану сплавів у залежності від їх складу та температури.

Матеріали та обладнання. Для виконання даної лабораторної роботи студентам роздаються діаграми стану Fe-C з описанням механізму формування структур типових сплавів в цій системі.

Теоретичні відомості. Найважливішими матеріалами в сучасній машинобудівній промисловості є залізовуглецеві сплави: технічне залізо, сталі та чавуни. Основою для вивчення процесів формування їх структури є діаграма стану системи Fe-C (рис.5.1).

Структура сплаву визначає його властивості. Важливо знати, які фази та структури формуються в сплавах у залежності від їх складу та температури. Необхідно вміти керувати процесом структуроутворення для забезпечення експлуатаційних властивостей сплавів.

Компонентами залізовуглецевих сплавів є залізо та вуглець, який може знаходитись у сплавах у хімічно зв'язаному стані у вигляді цементиту - Fe3C (Ц) або у вільному стані - у вигляді графіту (Г). В залежності від цього структуроутворення залізовуглецевих сплавів при їх охолодженні з рідкого стану можна розглядати за діаграмою метастабільної рівноваги Fe - Fe3C ( рис.5.1, суцільні лінії) або за діаграмою стабільної рівноваги Fe - C (рис. 5.1, пунктирні лінії С1D1, E1C1F1, E1S1, S1K1).

Залізо плавиться при температурі 15390С, його густина при кімнатній температурі 7,68*103 кг/м3. Залізу властивий поліморфізм, тобто в залежності від температури воно має різну кристалічну будову.

При кристалізації (1539 0С) утворюється -Fe, кристалічна будова якого описується об'ємноцентрованою кубічною (ОЦК) граткою. При 1392 0С замість гратки -Fe (ОЦК) шляхом перегрупування атомів утворюється -Fe з гранецентрованою кубічною (ГЦК) граткою. При 910 0С також проходить поліморфне перетворення, внаслідок якого -Fe переходить в -Fe з (ОЦК) граткою. нижче 910 0С таке залізо стає стійким аж до температури абсолютного нуля.

Залізо в залежності від температури може знаходитись в різноманітних магнітних станах. При температурі 7680С (768…9100С) -Fe, так же як і -Fe і -Fe, - парамагнетик, тобто є немагнітним, нижче 7680С - феромагнетик (магнітне). Температура 7680С (точка Кюрі) є температурою переходу -Fe із парамагнітного стану в феромагнітне при охолодженні заліза і навпаки - при його нагріванні. Залізо з парамагнітними властивостями іноді називають -Fe. Таким чином, при 13920С в рівновазі знаходяться -Fe та -Fe ( -Fe -Fe); температура рівноваги -Fe та -Fe - 9100С (-Fe -Fe).

Рис. 5.1 Діаграма стану системи залізо - вуглець

Температури рівноважного стану двох чи декількох фаз називаються критичними. Їх позначають літерою А з відповідним індексом (порядковий номер температури зростає з її підвищенням). Для заліза: 7680С - А2; 9100С - А3; 13920С - А4.

Залізо з вмістом вуглецю 0,01…0,1% має наступні властивості: твердість за Брінелем 70…80 НВ; міцність на розрив в =200…250МПа ; відносне звуження =50…55%; ударна в'язкість КСU+20=220…250кДж/м2. Цементит містить 6.67% вуглецю і має високі твердість і крихкість, його міцність на розтяг дуже мала. Цементит - метастабільна (нестабільна) фаза, слабо феромагнітна, точка Кюрі (А0) - 2100С. Час стійкості цементиту зменшується з підвищенням температури: при низьких температурах він існує нескінченно довго, при температурах, які перевищують 9500С, за декілька годин розпадається на залізо та графіт. На цьому явищі заснований відпал білого чавуну на ковкий.

Графіт - одна із двох кристалічних модифікацій вуглецю. Його температура плавлення 38500С.

В залізовуглецевих сплавах графіт, на відміну від цементиту, є стабільною фазою. Сплавляючи залізо з вуглецем, отримуємо сплави з різноманітною структурою та властивостями.

При підвищених швидкостях охолодження сплавів у результаті процесу кристалізації утворюється цементит. Утворення графіту спостерігається тільки в високовуглецевих сплавах у випадку їх повільного охолодження або при деяких ізотермічних витримках. В сплавах з пониженим вмістом вуглецю утворення графіту малоймовірне.

На діаграмі метастабільної рівноваги крайні ординати відповідають чистим компонентам: GNA - залізу, KFD - цементиту. Ординати між ними - подвійним сплавам, загальний вміст заліза й вуглецю в яких дорівнює 100%. Для заліза на лінії GNA точка А відповідає температурі плавлення (1539оС); N - перетворенню -Fe -Fe; G - перетворенню -Fe -Fe. Для цементиту: D - температура плавлення (точно не встановлена).

В системі Fe - Fe3C можливі рідка фаза -- розчин заліза й вуглецю, та чотири твердих -- - та - тверді розчини - ферит(Ф), -твердий розчин -аустеніт (А), і цементит Fe3C. Ліквідус - АВСD; солідус - АНІЕСF.

Затвердівання сплавів, які містять до 0,5% С, починається з утворення -фериту за реакцією Р(АВ) -ферит (Ф(АН)) (див. рис.5.1). Характер подальшої кристалізації сплавів залежить від вмісту в них вуглецю. Сплави з вмістом до 0,1% С (до точки Н), повністю затвердівають в інтервалі температур, який відповідає лініям АВ та АН з утворенням однофазної структури -фериту. Цій структурі відповідає ділянка діаграми, що знаходиться по ліву сторону від лінії АНN.

Сплави з 0,1…0,5% С (між точками Н і В) кристалізується дещо складніше. Після виділення з рідини відповідної кількості фериту при температурі 1499оС (ізотерма НІВ) вони зазнають перитектичного перетворення:

РВ+Н АІ.

В сплаві, який містить 0,16%С (І), обидві вихідні фази (Р+-ферит), взаємодіючи між собою при перитектичному перетворенні, без залишку витрачаються на утворення - твердого розчину (аустеніту). Після цього сплав набуває однофазної структури - аустеніт. В сплавах, які вміщують 0,1 (Н) до 0,16%С (І), після перитектичної реакції залишається в залишку доля -фериту, який при подальшому охолодженні сплаву (в результаті перетворення гратки ОЦК в ГЦК) в інтервалі температур, які відповідають лініям НN та IN, перетворюється в аустеніт: (НN)(IN) (ФА). Сплави з вмістом вуглецю 0,16…0,5% остаточно затвердівають в інтервалі температур ліквідус (ВС) - солідус (ІЕ), при яких залишкова рідина кристалізується в аустеніт: Р(ВС) А(ІЕ). Цією ж реакцією також описується процес затвердівання сплавів із вмістом вуглецю 0,5…2,14%С.

Таким чином усі сплави, які включають менше 2,14% С, після першої кристалізації отримують однофазну структуру - аустеніт, яка зберігається при охолодженні до температур, відповідних лінії GSE. При подальшому охолодженні проходить перекристалізація аустеніту, в результаті чого формується кінцева структура сплавів.

У групі сплавів, які містять від 2,14 (Е) до 6,67% С(F), існує евтектичний сплав з 4,3% С (точка С), який при 1147оС (ізотерма ЕСF), є одночасно насиченим вуглецем і залізом, кристалізується за евтектичною реакцією:

РС АЕ+ЦF.

Утворена евтектична суміш двох фаз (А+Ц) називається ледебуритом.

Сплави доевтектичні 2,14 (точка Е)…4,3%С (точка С) і заевтектичні 4,3…6,67% С кристалізуються в два етапи. На першому в інтервалі температур ліквідус (ВСD) - солідус (ЕСF) із рідкої фази виділяються первинні кристали: в доевтектичних -аустеніт (А), в заевтектичних - цементит (Ц)І. На другому етапі рідина, що залишилась, затвердіває з утворенням евтектики - ледебурит (цементит + аустеніт). В результаті первинної кристалізації доевтектичні сплави мають структуру АЕ+Л, заевтектичні - ЦІ+Л. І до- і заевтектичні сплави після первинної кристалізації мають дві фази - аустеніт і цементит.

Лінія АНN (див. рис.5.1) показує границю розчинності вуглецю в -Fe, лінія GPQ - в -Fe, лінія ES - в -Fe. Таким чином, максимальна розчинність вуглецю в -Fe становить 0,1% (точка Н, температура 1499ОС), в -Fe - 0,02% С при 727оС ( точка Р) і 0,01% С при 600оС (Q) ; в -Fe - 2,14% (точка Е).

Сплави заліза з вуглецем, якого в сплаві менше 0,02%, називаються технічним залізом. Праворуч лінії GPQ ферит є пересиченим твердим розчином, на лінії GPQ він гранично насичений вуглецем. При охолодженні сплавів, розташованих на діаграмі праворуч PQ,, нижче 7270С із фериту виділяється надлишковий вуглець, що приводить до формування цементиту третинного (ЦІІІ) у вигляді сітки на границях зерен фериту. Структура технічного заліза показана на рис.5.3,а. Якщо в структурі сплавів (0,02…6,67%С) уже є цементит, то ЦІІІ нашаровується на нього і металографічним методом не визначається.

Лінія ES показує границю насичення аустеніту вуглецем у залежності від температури сплаву. Розчинність вуглецю максимальна при 1147оС( точка Е) - 2,14%. В результаті аустеніт у сплавах, вміст вуглецю в яких більше 0,8% (точка S), праворуч лінії ES), виявляється перенасиченим твердим розчином і з нього виділяється вуглець, який іде на утворення цементиту вторинного (ЦІІ). У сталях ЦІІ формується частіше у вигляді сітки на границях зерен аустеніту, в чавунах частіше всього нашаровується на цементиті ледебуриту.

Вуглець, розчинюючись в ОЦК гратці заліза і , змінює їх і тим самим знижує температурну стійкість цих структур. Тому, чим більше вуглецю розчинено в -Fe, тим при більш високих температурах гратка перетворюється в - гратку; чим більше вуглецю в сплаві, тим при більш низьких температурах аустеніт перетворюється в -ферит. Таким чином, розчинення вуглецю в залізі спричиняє підвищенню температури А4 (лінія NI) і зниженню А3 (лінія GS), розширенню температурної області існування аустеніту й зниженню області фериту.

При охолодженні сплавів, які містять менше 0,8%С, перетворення аустеніту у ферит починається при температурах, що відповідають лінії GS. Це перетворення через різну розчинність вуглецю у фериті (GР) і аустеніті (ЕS) супроводжується дифузійним перерозподілом вуглецю між ними. Тому перебудова граток проходить в температурному інтервалі GS - GР. Ділянка РGS є ділянкою двофазної структури, в якій ферит знаходиться в рівновазі з аустенітом.

У сплавах, що розташовані між точками Р та S, під час охолодження по мірі утворення фериту в указаному інтервалі температур аустеніт збагачується вуглецем (GS). При 727оС вміст вуглецю в аустеніті на заключному етапі досягає 0,8% (S), гратка - Fe (ГЦК) втрачає стійкість і перебудовується в гратку - Fe (ОЦК), в якій при 727оС розчиняється тільки 0,02% С (Р).

Поліморфне перетворення ГЦК (0,8% С) ОЦК (0,02% С) супроводжується виділенням вуглецю з розчину й утворення цементиту:

А(S=0,8%C) Ф(Р=0,02%С)+Ц(К).

Це трьохфазне перетворення, обумовлене поліморфізмом заліза, що відбувається при 727оС, називається евтектоїдним. На відміну від трьохфазного евтектичного перетворення при евтектоїдному вихідною фазою є не рідкий, а твердий розчин (в даному випадку аустеніт). Суміш фаз, що виділилася з твердого розчину називається евтектоїдом, при чому число фаз дорівнює числу компонентів системи. Структурна складова залізовуглецевих сплавів, яка утворюється в результаті розпаду аустеніту і яка складається із пластинок двох фаз - фериту і цементиту, які чергуються між собою , називається перлітом (П). Температура утворення перліту відповідає критичній температурі А1.

На діаграмі метастабільної рівноваги точці А1 відповідає лінія РSK (7270С). Евтектоїдне перетворення АП, проходить в усіх сплавах, які містять більше 0,02%С (точка Р), тобто в сталях і чавунах.

Сплави з вмістом вуглецю 0,02…2,14%С, у структурі яких присутній перліт, називаються сталями. Сталі поділяються на доевтектоїдні (С=0,02…0,8%С, структура Ф+П); евтектоїдні (С=0,8%С, структура перліт); заевтектоїдні (С=0,8…2,14%С, структура П+ЦІІ). Схеми структур цих сталей показані на рис.5.3.

Сплави, які містять від 2,14 до 6,67%С, у структурі яких присутня певна доля евтектики - ледебуриту, називаються чавунами. Вони поділяються на доевтектичні (С=2,14…4,3%С, структура П+Л); евтектичні (С+4,3%С, структура - ледебурит); заевтектичні (С>4,3%С, структура ЦІ+Л).

Цементит третинний в сталях і чавунах, а також цементит вторинний в евтектичному і заевтектичному чавунах як самостійні структурні складові при мікроструктурному аналізі зазвичай не визначаються.

Необхідно зазначити, що всі описані зміни структури, що проходять при охолодженні сплавів, повторюються і при нагріванні сплавів ( у зворотному порядку). Це справедливо лише в тому випадку, коли охолодження і нагрівання проходять із дуже малими швидкостями, і при будь-якій температурі всі можливі перетворення повністю завершені і сплави знаходяться в стані фазової рівноваги.

Про фазові перетворення можна судити по кривих їх охолодження або нагрівання. Як приклад розглянемо процес структуроутворення в сталі з 0,4% С (рис. 5.2). Вище точки 1 сталь знаходиться в рідкому стані і безперервно охолоджується. В інтервалі температур 1-2 із рідкої фази, склад якої змінюється по ліквідусу АВ, випадають кристали -фериту, склад яких визначається по солідусу АН. За правилом фаз С=2-2+1=1, tconst. При кристалізації виділяється тепло, на ділянці кривої 1-2 охолодження сплаву зменшується. При температурі точки 2 проходить трьохфазне перитектичне перетворення: РВ+Н А1+Р(залишок); С=2-3=1=0, t=const.

Залишкова рідина кристалізується при безперервному охолодженні в інтервалі температур 2-3 з утворенням аустеніту. В інтервалі 3-4 сплав має структуру А (аустеніту), безперервно охолоджується. При температурах 4-5 проходить поліморфне перетворення,

ГЦК перебудовується в ОКЦ гратку і з аустеніту виділяються кристали -фериту.

При температурі точки 5 проходить трьохфазне евтектоїдне перетворення А(S) Ф(Р)+Ц(К), коли з аустеніту, не перетвореного у ферит, утворюється евтектоїд - перліт (Ф+Ц). У процесі подальшого охолодження сплаву з фериту виділяється ЦІІІ, який нашаровується на цементиті перлітному. Структура сталі охолодженої нижче температури точки 5(до точки 6) - Ф+П (рис.5.3, а).

При температурі точки 5 проходить трьохфазне евтектоїдне перетворення А(S) Ф(Р)+Ц(К), коли з аустеніту, не перетвореного у ферит, утворюється евтектоїд - перліт (Ф+Ц). У процесі подальшого охолодження сплаву з фериту виділяється ЦІІІ, який нашаровується на цементиті перлітному. Структура сталі охолодженої нижче температури точки 5(до точки 6) - Ф+П (рис.5.3, а).

Масові долі (%) фериту й перліту як структурних складових сталей можуть бути визначені за правилом відрізків. Наприклад, при 6000С Ф=(0,8-0,4)/(0,8-0,01)100=50%,а перліту П=(0,4-0,01)/(0,8-0,01)100=50%. Масова доля фериту як фази, що існує разом із цементитом, Ф=(6,67-0,4)/(6,67-0,01)100=94%. Решта 6% належать іншій фазі - цементиту.

Таким чином, структура, що містить 0,4%С, складається із 50% фериту і 50% перліту (відповідно фазовому аналізу - 94% Ф+6%Ц). Аналогічна ферито-перлітна структура (тільки з різною часткою цих складових) усіх доевтектоїдних сталей (рис.5.3,б).

Кристалізація типової заевтектоїдної сталі II з 1,5% вуглецю (рис.5.2) відбувається в інтервалі температур від точки 7 до точки 8, коли з рідкої сталі з'являються зерна аустеніту. Після закінчення кристалізації від температури точки 8 до точки 9 в аустенітній області відбувається просте фізичне охолодження однофазного сплаву. Оскільки лінія ES - лінія сольвусу, тобто лінія обмеженої розчинності вуглецю в -Fe (аустеніті), то нижче від точки 9 аустеніт стає перенасиченим вуглецем. Надлишкові атоми вуглецю виходять із гратки аустеніту, зв'язуються з атомами заліза у хімічну сполуку - цементит. Такий цементит визначають як вторинний - ЦII. Він виділяється по межах аустенітних зерен у вигляді тонкого прошарку. При охолодженні до 727оС кількість вуглецю в аустеніті зменшується до 0,8% (від точки 9 до точки S по лінії ES) і такий аустеніт при температурі точки 10 перетворюється на перліт. Структура всіх заевтектоїдних сталей - темні зерна перліту, оточені світлими прошарками вторинного цементиту (рис.5.3,г).

Рис. 5.3 Схеми структур: а - технічного заліза; б --доевтектоїдної сталі; в - евтектоїдної сталі; г - заевтектоїдної сталі

Як уже зазначалось, залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю більше 2,14% є чавунами, які поділяються на евтектичні, до- і заевтектичні.

У доевтектичних чавунах (сплав III, рис.5.2) первинна кристалізація відбувається в інтервалі температур між точками 12 і 13 з виділенням аустеніту. При температурі точки 13 (1147оС) проходить евтектичне перетворення РС Л(АЕ+Ц). У відповідності з правилом фаз - С=2-3+1=0 - це перетворення відбувається при постійній температурі (див. криву охолодження сплаву III).

Після закінчення цієї реакції структура сплаву буде складатися з аустеніту та ледебуриту. При зниженні температури з 1147ОС до 727ОС (точка 14) із аустеніту, в якому було 2,14% С за рахунок зменшення розчинності вуглецю до 0,8% (точка S) виділяється вторинний цементит ЦII, що розміщується навколо зерен аустеніту. Такий вторинний цементит виділяється також і з аустеніту, що входить до складу ледебуриту. При температурі 727ОС проходить евтектоїдне перетворення аустеніту (як первинного, так і того, що входив до складу ледебуриту) в перліт (АП), після завершення якого кінцева структура доевтектичних чавунів (рис.5.4,а) буде складатися з перліту (темні зерна) і плямистої структури ледебуриту (темні плями перліту на фоні світлого цементиту). Вторинний цементит зливається з цементитом ледебуриту і як окрема фаза не спостерігається.

Структура евтектичного чавуну з 4,3%С - суто ледебуритна (рис.5.4,б).

Рис. 5.4 Схеми структур чавунів: а - доевтектичного; б - евтектичного; в - заевтектичного

Кристалізація заевтектичних чавунів (сплав IV на рис. 5.2) починається з виділення в т. 16 кристалів первинного цементиту Ц1 у вигляді пластин. При температурі т.17 (1147ОС) відбувається евтектичне перетворення РС Л(АЕ+Ц), після завершення якого структура буде складатися з ледебуриту і первинних кристалів цементиту. Така структура буде зберігатися аж до кімнатної (т.19) з тією різницею, що в кінцевому ледебуриті буде не аустеніт, а перліт, який утворився внаслідок евтектоїдного перетворення при температурі т.18 --727ОС (рис.5.4,в).

Ці чавуни називаються білими, оскільки в зламі мають білий сріблястий колір, який визначається наявністю в структурі цементиту.

Діаграма стабільної рівноваги, позначена на рис.5.1 і 5.2 пунктиром, відображає можливість утворення високовуглецевої фази - графіту на всіх етапах процесу структуроутворення в сплавах з підвищеним вмістом вуглецю. В інтервалі температур ліквідус DC - солідус CF із рідини виділяється графіт. При евтектичній температурі 11530С (ізотерма E1C1F1) рідина складу С затвердіває з утворенням графітної евтектики (АЕ+Г). В інтервалі температур ECF - PSK через зменшення розчинності вуглецю в аустеніті (лінія ES) виділяється графіт. При евтектоїдній температурі (tPSK=7380С) вміст вуглецю в аустеніті досягає 0,7%(S1) і аустеніт розпадається на ферит і графіт.

Таким чином, при охолодженні сплавів, які включають 2,14…6,67% С, формується структура, яка складається з фериту та графіту. Це так звані графітизовані чавуни.

Завдання на роботу.

1. Уважно вивчити теоретичний матеріал.

2. Скласти звіт про роботу, в якому:

· зробити рисунок діаграми стану залізо - цементит і нанести на неї ординату, що показує склад сплаву у відповідності з варіантом табл.5.1;

· дати точну назву вказаного сплаву;

· показати криву охолодження сплаву (поруч з діаграмою стану);

· описати процес кристалізації і подальшого формування структури цього сплаву з рідкого стану до кімнатної температури;

· визначити, які фази і структурні складові будуть у сплаві при кімнатній температурі;

· визначити кількість цих фаз і структурних складових за правилом важеля;

· показати схему кінцевої структури сплаву з вказівкою на схемі структурних складових.

№ варіанта	% вуглецю	№ варіанта	% вуглецю	№ варіанта	% вуглецю
1	5,5	6	4,0	11	0,01
2	0,1	7	2,5	12	0,2
3	0,16	8	4,5	13	0,6
4	0,3	9	0,8	14	3,5
5	1,0	10	2,0	15	4,3

Контрольні питання для самопідготовки

1. Що визначають точки G та N на діаграмі стану залізо-вуглець?

2. Як впливає вуглець на температуру поліморфного перетворення заліза?

3. Що визначають точки А4, А3, А2, А1 для чистого заліза та для його сплавів з вуглецем?

4. Які фази притаманні залізовуглецевим сплавам?

5. Які структури утворюються в залізовуглецевих сплавах?

6. Які перетворення називаються евтектичним, евтектоїдним, перитектичним в залізовуглецевих сплавах?

7. Які структури називається ледебуритом, перлітом?

8. Який цементит називається первинним, вторинним, третинним?

9. Як поділяються залізовуглецеві сплави в важності від вмісту в них вуглецю?

10. Які залізовуглецеві сплави називаються технічним залізом, сталлю, чавуном?

6. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6

ВИВЧЕННЯ МІКРОСТРУКТУР ВУГЛЕЦЕВИХ СТАЛЕЙ У РІВНОВАЖНОМУ СТАНІ

Мета роботи: отримати навички у проведенні мікроаналізу структур вуглецевих сталей, визначення по них типу сплаву, вміст вуглецю, марки сталі, її властивостей і практичного застосування.

Матеріали та обладнання. Для виконання цієї лабораторної роботи студентам надаються зразки шліфів сталей різного хімічного складу, металографічний мікроскоп, фотографії мікроструктур сталей.

Теоретичні відомості. Мікроструктура вуглецевих сталей в рівноважному стані, отримана після повільного охолодження (відпалу), може бути визначена з діаграми стану ''залізо-вуглець''. Сплави , які вміщують вуглецю до 0,02% називаються технічним залізом. Його структура складається зі світлих зерен фериту з добре помітними темними границями (рис.6.1,а), на яких виділяється третинний цементит.(Для того, щоб відрізнити ферит від цементиту, шліфи протравлюють реактивом - пікратом натрію, який забарвлює цементит в темний колір і не діє на ферит). Сплави з вмістом вуглецю 0,02…2,14% називаються сталями. Вони поділяються на доевтектоїдні (0,02…0,8%С), евтектоїдні (0,8%С) і заевтектоїдні (0,8…2,14%С).

Структура доевтектоїдних сталей складається з фериту та перліту (рис.6.1,б), евтектоїдних - тільки з перліту (рис.5.1,в), заевтектоїдних - перліту і вторинного цементиту (ЦII), який при повільному охолодженні виділяється по границях зерен перліту і спостерігається під мікроскопом у вигляді сітки білого кольору при травленні шліфа розчином азотної кислоти (рис.6.1,г).

Рис. 6.1 Схема структур залізовуглецевих сплавів: а - технічного заліза; б - доевтектоїдної сталі; в - евтектоїдної сталі; г - заевтектоїдної сталі

Виділення вторинного цементиту по границях зерен перліту є небажаним, оскільки така структура має підвищену твердість і погано оброблюється різанням. Чим більше в сталі вуглецю, тим ширшою є цементитна сітка і менше утворюється перліту.

Таким чином, із збільшенням вмісту вуглецю в сталі змінюється їхня структура і фазовий склад: зменшується частка м'якого фериту, збільшується кількість твердого цементиту і відповідно з цим зростають твердість (НВ), границя міцності (В), зменшується пластичність () і ударна в'язкість (КС) - рис.6.2.

По структурі сталі, що знаходиться в рівноважному стані, можна приблизно визначити вміст вуглецю, і, таким чином, марку сталі. Для цього на мікроструктурі, що вивчається під мікроскопом, орієнтовно визначають площі, які займають перлітом і феритом. Вміст вуглецю у фериті, як ми знаємо, при кімнатній температурі менше 0,01% і ним можна знехтувати, тобто прийняти рівним нулю. Вміст вуглецю у перліті - 0,8%.

Наприклад, при мікроструктурному аналізі визначили, що площа, яку займає ферит, складає 30%, а перліт - 70% всієї площі. Тоді кількість вуглецю, що вноситься перлітом визначається за пропорцією:

100% перліту -- 0,8%С

70% перліту --х%

Звідки: х=.

Такий приблизно вміст вуглецю має вуглецева сталь марки 55.

Рис.6.2 Вплив вмісту вуглецю на механічні властивості сталі

Визначати марку заевтектоїдної сталі за такою методикою не варто, оскільки навіть приблизно визначити площу, яку займає цементитна сітка, практично неможливо.

Завдання на роботу.

1. Розглянути під мікроскопом зразки сталі і визначити структурні складові.

2. Вказати клас сталі (до-, за-, чи евтектоїдна).

3. По структурі визначити вміст вуглецю і вказати марку сталі.

4. Зарисувати схеми мікроструктур.

5. Скласти звіт про роботу, в який включити дільницю діаграми стану ''залізо - цементит'' для сталей, графік залежності механічних властивостей сталі від вмісту вуглецю, механічні властивості розглянутих марок сталей, висновки про роботу.

Контрольні питання для самопідготовки

1. Які сталі називаються доевтектоїдними, заевтектоїдними?

2. Яка структура в доевтектоїдних сталях при їх рівноважному стані?

3. Яка структура в заевтектоїдних сталях при їх рівноважному стані?

4. Як можна визначити марку сталі за її структурою?

7. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 7

ВИВЧЕННЯ МІКРОСТРУКТУРИ ТА ВЛАСТИВОСТЕЙ ЧАВУНІВ

Мета роботи: отримати навички визначення за мікроструктурою виду чавуну, оцінити його механічні властивості, встановити орієнтовно марку (крім білого чавуну) та сферу його використання.

Матеріали та обладнання. Для виконання даної лабораторної роботи потрібні: зразки мікрошліфів та фотографії мікроструктур чавунів різних типів, металографічний мікроскоп.

Теоретичні відомості. За хімічним складом чавуни відрізняються від сталей більш високим вмістом вуглецю (більше 2,14%) і постійних домішок (S, P, Si, Mn). Чавун має більш низькі механічні властивості, ніж сталь. Однак, його гарні технологічні властивості (ливарні, оброблюваність різанням, зносостійкість, антифрикційні властивості тощо) роблять чавун придатним для виготовлення різноманітних деталей для машин різного технологічного призначення в тому числі і для сільськогосподарських машин.

В залежності від стану вуглецю чавуни поділяються на дві групи: білі чавуни, в яких весь вуглець знаходиться в складі хімічної сполуки Fe3C (цементиту), і графітизовані чавуни, в яких весь вуглець або більша його частина знаходиться у вільному стані у вигляді графіту.

Структура білих чавунів залежить від вмісту вуглецю і відповідає діаграмі стану залізо-цементит (рис.7.1).

Рис. 7.1 Діаграма стану системи залізо-цементит

За вмістом вуглецю чавуни поділяються на:

Доевтектичні (2,14 …4,3%С, на діаграмі стану від точки Е до точки С)). Їх структура має три складових -- перліт, ледебурит, вторинний цементит (рис. 7.2, а). Перліт спостерігається під мікроскопом у вигляді темних зерен, частина цементиту вторинного - світлих оболонок навкруги перлітних зерен, а інша частина зливається з цементитом ледебуриту і під мікроскопом як окрема складова не спостерігається; ледебурит має вигляд ділянок з невеликими темними зернами округлої або витягнутої форми перліту, рівномірно розташованих у білій цементитній основі.

Рис. 7.2 Мікроструктури білих чавунів: а - доевтектичного; б - евтектичного; в - заевтектичного

Евтектичний чавун (4,3%С) складається з ледебуриту -- механічної суміші перліту з цементитом (рис.7.3, б).

Заевтектичний чавун (4,3…6,7%С) має дві структурні складові -- первинний цементит і перліт (рис.7.3,в).

Білі чавуни надто крихкі та тверді, погано обробляються різальним інструментом і в машинобудуванні використовуються дуже рідко (зірочки для очистки литва від пригару, кулі млинів), зазвичай вони йдуть на виготовлення ковкого чавуну.

Конструкційними чавунами є графітизовані чавуни, які поділяються на чотири види в залежності від форми графітних включень у їх структурі: сірі, ковкі, високоміцні та чавуни з вермикулярною формою графіту. Структура металевої основи в усіх цих чавунах може бути феритною, феритно-перлітною або перлітною.

В сірих чавунах графіт має пластинчасту форму (рис 7.4, а), в ковких -- компактну пластівчасту (рис.7.4, б), у високоміцних -- кулясту (рис.7.4, в), у чавунах з вермикулярною формою -- у вигляді коротких потовщених пластин з округлими кінцями (рис.7.4, г). Цю форму можна розглядати як проміжну між пластинчастою і кулястою.

Пластинчаста форма графіту в сірому чавуні суттєво знижує механічні властивості чавуну, зокрема міцність, пластичність, ударну в'язкість. В той же час графітні включення полегшують оброблюваність різанням, роблять стружку ламкою, підвищують зносостійкість і здатність поглинати вібрації і резонансні коливання, надають чавуну добрих ливарних властивостей. Отриманню сірих чавунів сприяє повільне охолодження виливків, підвищений вміст кремнію та знижений марганцю а також такий захід як модифікування рідкого чавуну феросиліцієм або силікокальцієм. Сірий чавун - складний сплав, хімічний склад якого коливається в таких межах: 3,2...3,8% С; 1,0...3,5% Si; 0,5...0,8% Mn; 0,2...0,4% Р; до 0,12% S. Виготовляють такий чавун за ГОСТ1412-85 марок: СЧ10; СЧ15; СЧ20; СЧ25; СЧ30; СЧ35; СЧ40; СЧ45 (С - сірий, Ч - чавун, цифри показують міцність чавуну в кг/мм2). Твердість сірого чавуну коливається від НВ129 до НВ269 в залежності від марки. Пластичність сірого чавуну мізерно мала (відносне видовження не перевищує 0,5%), тому він може застосовуватись для виготовлення деталей, які не зазнають навантажень на розтяг і удар. Це блоки циліндрів, картери, гільзи, циліндри парових машин, маховики, станини металорізальних верстатів тощо.

Ковкий чавун (ГОСТ 1215-79). Ковким називається чавун, в якому графіт має пластівчасту (кляксоподібну). Така форма графіту утворюється з білого чавуну внаслідок його тривалій витримці (відпалюванні) при температурі 950...1000оС. Назва “ковкий” не означає, що цей чавун можна кувати, або піддавати будь-якій іншій обробці тиском. Це суто ливарний матеріал а назва свідчить тільки про його більшу пластичність порівняно із сірим чавуном. Ковкий чавун поділяється на марки: КЧ30-6; КЧ33-8; КЧ35-10; КЧ37-12; КЧ45-6; КЧ50-4; КЧ56-4; КЧ60-3; КЧ63-2 (К - ковкий, Ч - чавун, перші дві цифри показують міцність у кг/мм2, другі - відносне видовження в процентах). Хімічний склад ковкого чавуну знаходиться в межах: 2,4...2.8%С; 0,8...1,4% Si; 0,3...1,0% Mn; 0,08...0,1% S; до 0,2% P. Понижені значення вмісту вуглецю та кремнію і підвищений марганцю потрібні для того, щоб у виливках була структура білого чавуну. З цією ж метою товщина стінок виливків не повинна перевищувати 40...50 мм. При більших розмірах в стінках можливе утворення пластинчатого графіту і чавун стає непридатним для відпалювання.

Рис. 7.4 Схеми форми графіту в чавунах: а -- сірому, б --ковкому, в --високоміцному, г -- з вермикулярною формою графіту

Ковкі чавуни знайшли широке застосування в сільськогосподарському, автомобільному, текстильному машинобудуванні. З нього виготовляють деталі високої міцності, що працюють у важких умовах зношування, здатні сприймати ударні та змінні за напрямом навантаження (картери редукторів, гаки, скоби, фланці, ступиці коліс, елементи карданних валів, ланцюги та ролики конвеєрів тощо). Добрі ливарні властивості вихідного білого чавуну дають можливість виготовляти виливки складної форми.

Високоміцний чавун (ДСТУ 3925-99). Високоміцним називається чавун, в якому графітні включення мають кулясту форму. Така форма графіту утворюється при обробці рідкого чавуну невеликими дозами таких елементів як магній, церій, кальцій, ітрій. Ці елементи називаються модифікаторами. Вони, практично, не змінюють хімічний склад сплавів, зате суттєво впливають на їхню структуру, змінюючи форму графітних включень, розмір зерен, їх розташування тощо. Як модифікатор для виготовлення чавуну з кулястим графітом найчастіше всього використовується магній - найбільш ефективний і дешевий елемент. Остаточний вміст магнію для отримання кулястого графіту становить 0,04...0,06%. За вмістом решти елементів високоміцний чавун не відрізняється від сірого, за винятком сірки, якої у високоміцному чавуні 0,01...0,03%. Таке зменшення вмісту сірки відбувається завдяки тому, що магній при обробці рідкого чавуну активно реагує із сіркою з утворенням нерозчинних у чавуні сульфідів магнію Mg2S.

Високоміцний чавун поділяється на марки: ВЧ 350-22; ВЧ 400-15; ВЧ 420-12; ВЧ 450-10; ВЧ 450-5; ВЧ 500-7; ВЧ 600-7; ВЧ 700-2; ВЧ 800-2; ВЧ 900-2; ВЧ 1000-2 (В - високоміцний, Ч - чавун, перше число вказує межу міцності на розтяг в МПа, друге число через дефіс - значення межі відносного видовження у відсотках).

Високоміцний чавун використовується для виготовлення середньо - та важко навантажених деталей відповідального призначення: прокатного, ковальсько-пресового обладнання, корпусів парових турбін, колінчастих валів для автомобілів, тракторів та комбайнів, поршнів, кронштейнів та інших деталей.

Чавун із вермикулярним графітом. Високоміцний чавун із кулястим графітом поряд із його позитивними якостями (високі механічні та експлуатаційні характеристики) має і суттєві недоліки (підвищену об'ємну усадку, понижену теплопровідність, схильність до відбілу). В чавуні з вермикулярним графітом ці недоліки відсутні. В ньому поєднуються високі механічні і ливарні властивості, висока теплопровідність, низька собівартість.

Графіт в такому чавуні має вигляд коротких потовщених пластин з закругленими кінцями (рис.7.3, г), форма яких є перехідною між пластинчатим і кулястим графітом. Як конструкційний матеріал чавун із вермикулярним графітом є найбільш молодим типом чавуну.

Перша технологія його виробництва була розроблена лише в 1966 році. Суть цієї технології полягає в тому, що рідкий чавун обробляється модифікаторами в кількості, недостатній для отримання цілковито кулястої форми графіту. У структурі чавуну утворюється вермикулярний графіт і 20..30% кулястого. Наприклад, при обробці чавуну магнієвими модифікаторами остаточний вміст магнію для забезпечення вермикулярного графіту повинен бути біля 0,02%.

До 1999 р. не було стандартів на чавун із вермикулярним графітом, і навіть це не перешкоджало його успішному використанню в машинобудуванні. Зараз існує ДСТУ 3326-99 "Чавун з вермикулярним графітом", за яким цей чавун поділяється на марки: ЧВГ 300-4; ЧВГ 400-4; ЧВГ 500-1 (Ч - чавун, В - вермикулярний, Г - графіт, перше число вказує межу міцності на розтяг в МПа, друге число через дефіс - значення межі відносного видовження у відсотках).

Чавун з вермикулярним графітом є ефективним матеріалом для деталей машин, які зазнають досить високих статичних, ударних і циклічних навантажень, працюють в умовах теплозмін тощо. В автомобілебудуванні цей чавун застосовується для виготовлення головок блоків циліндрів, випускних колекторів, гальмівних дисків, колінчастих і розподільчих валів, блоків циліндрів, зубчастих коліс, корпусів турбокомпресорів тощо.

Завдання на роботу

1. Вивчити під мікроскопом мікрошліфи чавунів, визначити структурні складові і за ними визначити вид чавуну (білий, сірий, ковкий, високоміцний).

2. Зарисувати схеми мікроструктур (на рисунках структура металевої основи чавунів зображається так як і сталей - див. рис. 6.1).

3. Записати приблизну марку чавуну, його хімічний склад, властивості, сферу використання.

4. Скласти звіт про роботу.

Контрольні питання для самопідготовки

1. Які сплави називаються чавунами?

2. Які типи конструкційних чавунів існують?

3. Яка основна структурна відмінність чавунів різних типів?

4. Якою може бути структура металевої основи чавунів?

5. Від чого залежить отримання тієї чи іншої структури металевої основи чавунів?

6. В чому полягає технологія виготовлення ковкого чавуну?

7. В чому полягає технологія виготовлення високоміцного чавуну?

8. Як маркуються чавуни різних типів?

8. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 8

ТЕРМІЧНА ОБРОБКА СТАЛЕЙ

Мета роботи: вивчення методики призначення режимів відпалу, нормалізації і загартування, придбання практичних навичок проведення різноманітних операцій термічної обробки, дослідження впливу вмісту вуглецю і температури відпуску на твердість загартованої сталі.

Матеріали та обладнання. Для виконання цієї лабораторної роботи надаються зразки сталей, термічна піч, термопара з приладом реєстрації температури, охолодні середовища (вода, мінеральне масло), прилади для вимірювання твердості.

Теоретичні відомості. Термічною обробкою сталі називається технологічний процес, який полягає в нагріванні сталі до визначеної температури, витримки і наступного охолодження з певною швидкістю. При термічній обробці отримують необхідні властивості сталі, змінюючи її структуру без зміни хімічного складу. Біля 40 % сталі, споживаної машинобудуванням для виготовлення деталей машин, приладів, устаткування, піддають різноманітним видам термічної обробки. Оскільки основними чинниками при термічній обробці є температура і час, то будь-який процес термічної обробки можна представити в цих координатах (див.рис. 8.4).

Основні параметри режиму термічної обробки - температура нагрівання (tН), швидкість нагрівання (vH), тривалість витримки при температурі нагрівання (B) і швидкість охолодження (vo).

Температура нагрівання сплаву при конкретному виді термічної обробки визначається температурами фазових перетворень (критичними температурами) на відповідній діаграмі його стану. Ці критичні температури для кожної стадії позначаються літерою А з відповідним індексом ( А1, А2, А3, А4, Аcm). Критичні точки А1 на лінії PSK показують перетворення А П (при охолодженні - Аr1) або П А (при нагріванні - Аc1); А3 на лінії GS - початок виділення фериту з аустеніту при охолодженні або кінець його розчинення при нагріванні (відповідно - Аr3 і Ac3); Аст на лінії SE - початок виділення цементиту вторинного з аустеніту в заевтектоїдних сталях при охолодженні або кінець його розчинення при нагріванні (відповідно - Arcm і Accm).

Температура нагрівання при термічній обробці сталей, щоб уникнути її оплавлення, не повинна перевищувати лінії солідуса.

Швидкість нагрівання вибирається в залежності від ряду чинників: теплопровідності сталі, форми і розмірів деталей, загальної маси деталей, що нагріваються, характеру їх розташування в печі, та деяких інших.

Тривалість витримки при заданій температурі нагрівання визначається швидкістю фазових перетворень, що відбуваються в металі. Витримка необхідна для завершення фазових перетворень і вирівнювання температури по об'єму деталі.

Швидкість охолодження вибирається в залежності від ступеня стійкості переохолодженого аустеніту, обумовленого переважно хімічним складом сталі, а також від необхідних структури і властивостей сплаву. В залежності від швидкості охолодження вуглецевої сталі можуть бути отримані перлітна, сорбітна, трооститна або мартенситна структури (рис.7.1) з різноманітними властивостями.