Изучение различных форм графита под микроскопом

Цель работы:

Изучение под микроскопом различных форм графита, приобретение навыков оценки графита по шкалам ГОСТ 3443-87

Содержание работы:

Металлографически чугун оценивают по характеру графита и структуре металлической основы. В работе на микроскопе изучаются графитовые включения в сером чугуне с пластинчатым графитом, в высокопрочном чугуне с шаровидным графитом, ковком чугуне с компактным графитом и дается их оценка по размеру, распределению, форме и количеству по методике, описанной в ГОСТ 3443-87

                                                 Теоретическая часть:

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы с повышенным содержанием углерода (> 2.14%).

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида;

серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита;

высокопрочный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита;

ковкий чугун, получающийся в результате отжига отливок из белого чугуна. В ковком чугуне весь углерод или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита.

Чугун (кроме белого) отличается от стали наличием в структуре графитовых включений, а между собой чугуны различаются формой этих включений.

Повышенное содержание углерода в составе чугунов приводит либо к образованию в структуре сплава твердой и хрупкой эвтектики (белые чугуны), либо к появлению свободного углерода в виде графита (серые, ковкие и высокопрочные чугуны). Повышение содержания углерода приближает сплав к эвтектическому составу, уменьшает температуру плавления и температурный интервал кристаллизации, что положительно отражается на литейных свойствах сплавов. Поэтому чугуны используются как литейные сплавы для изготовления фасонных отливок.

Структурные составляющие

Графит в чугуне является кристаллической разновидностью углерода, обладающей гексагональной решеткой со слоистым расположением атомов или твердым раствором  железа и других элементов на его основе. Под микроскопом графит имеет черный (темный) вид.

Для серого чугуна лучшими являются мелкие, завихренные включения пластинчатого графита. Крупные и прямолинейные графитовые включения, разделяющие металлическую основу и резко понижающие предел прочности на растяжение серого чугуна, являются недопустимыми.

Графит удобнее наблюдать на светлой металлической основе до травления.

Металлическая основа серого чугуна

После травления микроструктура серого чугуна может оказаться перлитной, отвечающей высокой твердости, износостойкости и вместе с тем удовлетворительной обрабатываемости резанием.

Наличие феррита в металлической основе снижает механические свойства серого чугуна и особенно его твердость и износостойкость. Ферритная микроструктура серого чугуна ведет к недопустимо низкой твердости и износостойкости.

Перлитно-цементитная металлическая основа чугуна делает чугун твердым и ухудшает его обрабатываемость режущим инструментом, а крупные выделения цементита вызывают отбел и препятствуют его обрабатываемости резанием.

Подобным же образом действуют и выделения фосфидной эвтектики в чугуне, которые очень тверды: тройная фосфидная эвтектика Fe₃P – Fe₃C – Fe и двойная Fe₃P – Fe.

Микроструктура белого чугуна, из которого путем отжига получают ковкий чугун, состоит из перлита и отдельных включений ледебурита и структурного свободного цементита; характеризуется хорошей пластичностью, высоким удлинением и вязкостью.

Область применения

Серый чугун – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; от деталей в несколько граммов (например, поршневые кольца двигателей) до отливок в 100 т и более (станины станков).

Высокопрочный чугун находит применение как новый конструкционный материал и как заменитель углеродистой стали, ковкого и серого чугуна: оборудование прокатных станов (прокатные валки массой до 12 т), кузнечно-прессовое оборудование (траверса пресса, шабот ковочного молота), в турбостроении – корпус паровой турбины, лопатки направляющего аппарата, в дизеле-, тракторо- и автомобилестроении – коленчатые валы, поршни.

Ковкий чугун – вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, втулки, муфты, тормозные колодки и т.д.- тонкостенные детали.

Дополнительной характеристикой чугунов, оговариваемой ГОСТом, является твердость по Бринеллю, определяемая методом вдавливания в плоскую поверхность испытуемого материала стального закаленного шарика диаметром 10,5 или 2,5 (+0,01) мм под определенной постоянной нагрузкой Р (кгс) на прессах с гидравлическим или механическим приводом нагружения. В результате на поверхности образуется сферический отпечаток (лунка), диаметр которой тем больше, чем мягче исследуемый металл или сплав. Число твердости по Бринеллю НВ выражается отношением нагрузки Р (кгс), приложенной к шарику, к площади сферической поверхности полученного отпечатка (мм):