Характеристика структурно-составляющих чугунов.

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом и некоторыми другими элементами. Углерода в чугуне содержится от 2 до 6,67%, в структуре он наблюдается в виде графита и цементита. Структура чугуна зависит от скорости его охлаждения и химического состава.

По структуре, наблюдаемой в микроскопе, чугуны делятся на белые, серые, высокопробные и ковкие.

Белые чугуны образуются при ускоренном охлаждении и имеют матово-белый цвет в изломе. В белом чугуне почти весь углерод находится в связанном соединении с железом в виде цементита Fe₃С.

В зависимости от содержания углерода, различают три класса белых чугунов:

· Доэвтектический (содержание углерода меньше 4,3%);

· Эвтектический (углерода 4,3%);

· Заэвтектический (углерода больше 4,3%).

Микроструктура доэвтектического чугуна включает три структурные составляющие: перлит, ледебурит, вторичный цементит.

Перлит наблюдается в виде темных зерен, а ледебурит – в виде отдельных участков. Каждый такой участок представляет собой смесь мелких округленных или вытянутых зерен перлита, равномерно расположенных в белой цементитной основе. С увеличением концентрации углерода в доэвтектическом чугуне, доля ледебурита в структуре увеличивается за счет уменьшения участков структуры, занимаемых перлитом и вторичным цементитом. Вторичный цементит наблюдается в виде светлых зерен.

Эвтектический чугун состоит из одной структурной составляющей – ледебурита, представляющего собой равномерную механическую смесь перлита с цементитом.

Заэвтектический чугун характеризуется двумя структурными составляющими – первичным цементитом и ледебуритом. С увеличением углерода количество первичного цементита в структуре возрастает. Характерная особенность структуры белого чугуна – наличие весьма твёрдых и малопластичных составляющих: цементита и ледебурита. Поэтому белый чугун имеет высокую твёрдость, мало пластичен и плохо обрабатывается резцом. По указанным причинам его применение в машиностроении ограничено.

Серый чугун имеет в изломе серый цвет, что объясняется присутствием в его структуре графита. Структура серого чугуна представляет собой металлическую основу, пронизанную графитовыми включениями..

Металлическая основа серого чугуна может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной.

Ферритный чугун имеет структуру: феррит (светлая основа), пластинчатый графит (темные пластинчатые включения).

Ферритно-перлитный чугун – феррит (светлая основа), перлит (серая основа) и пластинчатый графит (темные пластинчатые включения).

Прочность графита в сером чугуне по сравнению с металлической основой ничтожно мала. Присутствие графита в чугуне равносильно надрезу – пустоте. Поэтому чем равномернее расположены графитовые включения в металлической основе, чем они мельче и их форма ближе к округленной, тем меньше будет разобщена металлическая основа чугуна и, следовательно,, его прочность будет выше. Наличие графита, с одной стороны, снижает механические свойства чугуна, а с другой – повышает его износостойкость и способность поглощать вибрацию.

Высокопрочный чугун при рассмотрении в металломикроскоп имеет следующую структуру: металлическую основу (перлит и феррит, цементит и перлит или феррит) и графитовые включения в виде округленного (глобулярного) графита. Такой чугун получается модифицированием с помощью магния или церия. Высокая прочность чугуна обеспечивается указанной формой графита и структурной металлической основы.

Ковкий чугун получается в результате отжига отливок, изготовленных из белого чугуна. В процессе отжига цементит, входящий в структуру белого чугуна, распадается на железо и графит. Образующийся при этом графит имеет хлопьевидную форму (тёмные включения), что и обеспечивает хорошие пластические свойства чугуна. В зависимости от строения металлической основы, различают перлитный, перлитно-ферритный и ковкие чугуны.

Начинать изучение диаграммы железо-цементит можно только после того, как разобраны простые (двойные) диаграммы состояния. Эта диаграмма должна быть хорошо усвоена, т.к. иначе невозможно понять сущность и различные виды термической обработки. Разберите все превращения, протекающие в железоуглеродистых сплавах при медленном охлаждении, и получающиеся при этом структуры, особенно превращения в твердом состоянии. В тетради по практическим работам вычертите диаграмму состояния железо-цементит, укажите структуры во всех областях, разберите и запишите, чем характерны все критические точки и линии диаграммы, их температуры и содержание углерода.

Запомните, что в результате вторичной кристаллизации по линии GS при охлаждении начинается превращение аустенита в феррит вследствие аллотропического превращения g-железа в a-железо. Т.к. в феррите максимально растворяется 0,04% углерода (точка Р), а в аустените количество углерода все время увеличивается.

Каждая точка линии GS показывает содержание углерода в аустените при данной температуре. Критические точки, образующие линии GS, принято обозначать при нагреве Ас₃, а при охлаждении – Аr₃.

По линии ES при охлаждении из аустенита начинает выделяться вторичный цементит (Fe₃С) вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените при понижении температуры. Цементит содержит 6,67% углерода, поэтому в остающемся аустените количество углерода уменьшается. Каждая точка линии ES показывает содержание углерода в аустените при данной температуре (правило отрезков). Критические точки, образующие линию ES, принято обозначать Асm. По линии PSK происходит окончательный распад аустенита на перлит во всех сплавах системы. Из аустенита образуется мелкая механическая смесь – эвтектоид, т.к. в равновесном состоянии g-железо при температуре 727°С существовать не может, а g-железо практически углерод не растворяет (точка Р). При температуре 727°С во всех сплавах содержится в аустените 0,83% углерода (точка S? куда сходятся линии GS и ES), значит состав перлита также постоянен и содержит 0,83% углерода. Критические точки. Образующие линию PSK,при нагреве обозначают Ас₁, а при охлаждении Аr₁.

Обратите внимание, что температура, при которой из аустенита начинает выделяться феррит или цементит (линии GS и ES) зависит от состава сплава, а превращение аустенита в перлит происходит во всех сплавах при одной и той же температуре (727°С).

Нужно знать, что в простых углеродистых сплавах в равновесном состоянии при температуре ниже 727°С аустенит существовать не может, он распадается на перлит (эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного).

Запомните равновесные структуры железоуглеродистых сплавов: аустенит, феррит, перлит, цементит, ледебурит. Запишите в тетрадь что они собой представляют. Запомните разницу между эвтектикой и эвтектоидом: и то и другое – мелкая механическая смесь, но эвтектика продукт первичной кристаллизации, она получается при одновременной кристаллизации двух или нескольких фаз из жидкого раствора, а эвтектоид – продукт вторичной кристаллизации, он образуется при распаде твердого раствора. И эвтектика, и эвтектоид образуются в том случае, если вещества друг в друге не растворяются в твердом состоянии.

Разберитесь в процессах, протекающих при нагревании и охлаждении сплавов с различной концентрацией углерода. Особое внимание обратите на критические точки, в которых происходит вторичная кристаллизация, и на получающиеся структуры.

Изучая часть диаграммы с образованием чугуна, запомните, что ледебурит является характерным признаком белых чугунов. Повторите, какие чугуны называются белыми, а какие – серыми. Содержание углерода может быть одинаковым и у серых и у белых чугунов; отличаются они состоянием углерода. В серых чугунах углерод имеет форму пластинок. Металлическая основа может быть перлитной или ферритной.

Диаграмма Fe-Fe_3, кривая охлаждения

Рис. 6 Микроструктура:

А – феррит ( 200); Б – аустенит ( 500);

В – цементит (в виде сетки) ( 500).

Рис. 7 Структура сталей с равным содержанием углерода, 200:

А – 0,05; Б – 0,25; В – 0,4; Г – 0,7; Д – 0,8; Е – 1,2%

Рис. 8 Микроструктура сталей:

А – доэвтектоидная сталь – феррит (светлые участки) и перлит (темные участки) ( 500);

Б – эвтектоидная сталь – перлит ( 1000);

В – заэвтектоидня сталь – перлит и цементит (в виде сетки) ( 200).

Рис. 9 Микроструктура чугунов с различной формой графита:

А – пластинчатая форма графита (серый чугун);

Б – шаровидная (высокопрочный чугун);

В – хлопьевидная (ковкий чугун); шлифы нетравленые ( 100)

Рассмотри подробнее превращения, протекающие при охлаждении сплавов, с различным содержанием углерода.

В сплавах, содержащих до 0,1% С (см. рис. 5), например, сплав I на рис. 10 при охлаждении сначала происходит кристаллизация Fe_d (С) с последующим превращением его в аустенит. В сплавах, содержащих 0,1 – 0,5 % С (см. рис. 5), образование аустенита происходит при 1499°с по перитектической реакции Ж+Ф=А

Таким образом, все сплавы, содержащие до 2,14% С, после окончания кристаллизации имеют стурктуру аустенита. На диаграмме Fe-Fe₃С, линия солидуса линии АЕ (рис. 10).

На рис. 10 изображена левая часть диаграммы Fe-Fe₃С

Сплав I содержит меньше 0,02% С, т.е. расположен левее точки Р. Он представляет собой технически чистое железо.

Кристаллизация аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. До точки 3 в сплаве I не происходит никаких фазовых превращений: сплав просто охлаждается.

В точке 3 начинается перестройка решетки аустенита (г. ц. к.) в решетку феррита (о. ц. к.) с изменением содержания углерода в обоих твёрдых растворах: по мере охлаждения состав аустенита изменяется по линии GOS, а состав феррита – по линии GMP. В точке 4 это превращение заканчивается и до точки 5 происходит охлаждение образовавшегося феррита. Ниже точки 5 сплав находится в области двухфазного состояния Ф+Ц. линия PQ – линия переменной растворимости углерода в решетке феррита. Этот избыточный углерод образует с железом химическое соединение Fe₃С, т.е. цементит.

Чтобы отметить особенности выделения цементита в сталях, содержащих углерода менее 0,02%, его обозначают Ц_ш, т.е. цементит третичный (о цементите вторичном будет сказано позже). При обычном охлаждении Ц_ш выделяется главным образом внутри зерен в виде очень дисперсных включений, увеличивая прочность феррита. если охлаждение проводить медленно, то Ц_ш будет выделяться по границам зерен феррита. Структура технического железа представлена на рис. 7а

Кривая охлаждения сплава II (см. рис. 10) типична для всех сплавов, содержащих от 0,02 до 0,8% С, разница – только в температурах критических точек. Образование кристаллов аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2.

При этом состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса АС, а состав аустенита – по линии солидуса АЕ.

В точке 3 начинается первращение аустенита в феррит, которое протекает до точки 4. Состав аустенита изменяется по линии GOS, состав феррита – по линии GMP. В точке 4 при 727°С происходит эвтектическое превращение A_s = Ф_р + Ц_к

Чем больше в стали углерода, т.е. чем ближе располагается сплав к точке S, тем большее время необходимо для этого превращения (отрезок 4-4' на кривой охлаждения будет больше) и в структуре сплава будет больше перлита. После охлаждения структура таких сплавов состоит из Ф+П (рис. 7 б-г).

Сплав III содержит 0,8% С, т.е. по составу отвечает точке эвтектоидного превращения S. При его охлаждении до 727°С аустенит не испытывает никаких превращений, поэтому при температуре 727°С весь аустенит превратится в перлит (рис. 7д).

Сплав IV (см. рис. 10) содержит углерода больше 0,8%, но меньше 2,14%, т.е. он располагается между точками S и E. До точки 3 кристаллизация этого сплава протекает так же, как и сплавов I и II. При температурах от точки 3 до точки 4 изменяется содержание углерода в аустените по линии ES. Точка Е соответствует максимальной растворимости углерода в аустените, т.е. 2,14%, а точка S – минимальной: 0,8% С. Избыточный углерод по мере понижения температуры выделяется из решетки аустенита и образует с железом так называемый вторичный цементит, который обозначают Ц_п.

При 727°С (точка 4) происходит эвтектоидное превращение. Таким образом, после окончательного охлаждения сплав будет иметь структуру П+ Ц_п. По сравнению с Ц_ш выделение Ц_п происходит при более высоких температурах, когда скорости диффузии велики. Поэтому Ц_п образуется по границам зерен в виде сетки. это хорошо иллюстрируется микроструктурой, приведенной на рисунке 7е

Рис. 10 Часть диаграммы железо-цементит (до 2,14% С)

Особенностью всех сплавов с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% является наличие в их структуре ледебурита (рис. 11).

Рис. 11 Часть диаграммы железо-цементит (от 2,14 до 6,67% С)

Кривая охлаждения сплава V типична для всех сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3% углерода (т.е. расположенных от точки Е до точки С). Кристаллизация зерен аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. С понижением температуры состав аустенита изменяется по линии солидуса от точки а до точки Е, а состав жидкой фазы – от точки 1 до точки С.

При 1147°С (точка 2) оставшаяся жидкость претерпевает эвтектическое превращение Ж_С = А_Е + Ц_F. При температурах между линиями ECF и PSK сплав имеет структуру А+Л (А+Ц) + Ц_П, т.к. при охлаждении состав аустенита также будет изменяться по линии ES.

При 727°С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение A_S = Ф_Р + Ц_К и ниже этой температуры сплав будет иметь структуру П+Л (П+Ц) + Ц_П (рис. 12а). вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита.

При охлаждении сплава VI (4,3% С) при температуре 1147°С (точка С) вся жидкость превращается в ледебурит, который с понижением температуры испытывает превращения, аналогичные сплаву V. Структура этого сплава приведена на рис. 12б.

В сплавах, содержащих углерода от 4,3 до 6,67% (сплав VII). В точке 1 начинается образование кристаллов цементита. Чтобы отметить характер выделения, такой цементит называют первичным и обозначают Ц_{I .} Поскольку при кристаллизации Ц_{I .} Выделяется из жидкой фазы, его кристаллы обычно бывают крупные (грубые выделения). В точке 2 происходит эвтектическое превращение. Струкктура сплавов между линиями ECF и PSK Ц_I +Л (А+Ц). При 727°С происходит эвтектоидное превращение аустенита. Окончательная структура сплава (ниже 727°С) Ц_I+Л (П+Ц) (рис. 12в). Химические и физические свойства Ц_I, Ц_П и Ц_Ш одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы Fe-Fe₃С, т.е. критические точки, имеют условное обозначение.

Все критические точки обозначают буквой А (начальная буква французского слова arret – остановка). Первая критическая точка А₁ лежит на линии PSK (727°С) и соответствует превращению П = А; А₂ – линия МО (768°С), при этой температуре происходит магнитное превращение феррита; А₃ – линия GOS, по этой линии происходит превращение Ф=А, температура которого зависит от содержания углерода в стали; А₄ – линия NJ – превращение Feᵧ= Fe_d; Асm – линия SE, начало выделения Ц_П (иногда эту точку обозначают и как А₃). Поскольку превращения совершаются при нагреве и охлаждении при различных температурах (вследствие теплового гистерезиса), чтобы отличить эти процессы, взяли дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е. Ас₁, Ас₃, при охлаждении – букву r, т.е. Аr₁, Аr₃.

Все системы Fe-Fe₃С по структурному признаку делят на две большие группы: стали и чугуны.

Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом (содержание углерода до 2,14%, точка Е), заканчивающие кристаллизацию образованием аустенита.

В структуре таких сплавов отсутствует эвтектика (ледебурит), благодаря чему они обладают высокой пластичностью, особенно в аустенитном состоянии (при нагреве выше линии GSE).

По структуре углеродистые стали подразделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Дополнительные стали содержат до 0,8% С, их структура состоит из Ф+П (см. рис. 7б-г). Содержание углерода в эвтектоидной стали 0,8%, структура такой стали состоит только из перлита (см. рис. 7д). стали, содержащие углерода от 0,8 до 2,14%, называют эвтектоидными сталями. Их структура – зерна перлита, обрамленные сеткой Ц_П (см. рис 7е).

Сплавы железа с углеродом, содержащие больше 2,14% (до 6,67%) углерода, заканчивающие кристаллизацию образованием эвтектики, называют чугунами. Аналогично сталям чугуны подразделяют на доэвтектические (2,14 – 4,3% С), эвтектические (43% С) и эвтектические (4,3 – 6,67% С) (рис.12а-в).

Рис. 12. Структура белых чугунов, 100;

А – доэвтектический; Б – эвтектический; В – заэвтектический.

Контрольные вопросы:

Пользуясь диаграммой Fe-Fe₃С

1. Опишите превращения, протекающие в железоуглеродитстых сплавах разной концентрации при их медленном охлаждении и нагревании.

2. Объясните причины вторичной кристаллизации в железоуглеродистых сплавах.

3. Какие превращения происходят в сплавах Fe-Fe₃С по линиям GS и SE?

4. При какой температуре происходит образование перлита?

5. Укажите, что из себя представляют все структуры железоуглеродистых сплавов.

6. Сколько углерода растворяется в аустените при 1147°С? 727°С?

7. Назовите линии первичной и вторичной кристаллизации в диаграмме Fe-Fe₃С.

8. Назовите структуры доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной сталей.

9. Как можно из белого чугуна получить серый? Опишите свойства чугунов.

10. Какое применение имеют белые и серые чугуны?

11. Какое практическое значение имеет диаграмма Fe-Fe₃С?

12. Пользуясь диаграммой железо-цементит, постройте кривые охлаждения сплавов, содержащие (см. табл.1) % углерода, при медленном охлаждении из расплавленного состояния до комнатной температуры.

Таблица1

Выполняя практическую работу, вычертите полностью диаграмму и укажите структуры во всех областях. Проведите вертикаль, отвечающую заданным сплавам. Рядом с вертикалью вычертите кривые охлаждения данных сплавов, укажите на них температуры, соответствующие каждой критической точке. Опишите структурные превращения, которые происходят в заданных сплавах.

Пример:

Вопрос. Вычертите диаграмму железо-цементит (Fe-Fe₃С) и укажите превращения в стали, содержащей 1% углерода при медленном охлаждении от 1600°С до 20°С.

Ответ. При охлаждении сплава до температуры t=1450°С (рис. 5) идет охлаждение жидкого раствора. Начиная с точки t_1, из жидкого раствора выделяются кристаллы аустенита. Аустенит – это твердый раствор углерода в g-железе. В интервале температур между t₁ и t₂=1340°С количество кристаллов аустенита увеличивается, а количество жидкой фазы уменьшается. В точке t₂ происходит окончательное затвердевание аустенита. В интервале температур между точками t₁ и t₂ никаких превращений не происходит, идёт охлаждение аустенита. В точке t₃= 800°С начинается вторичная кристаллизация: из аустенита начинается выделяться вторичный цементит, т.к. растворимость углерода в железе с уменьшением температуры уменьшается. Цементит – это химическое соединение железа с углеродом – карбид железа (Fe₃С). В интервале температур между точками t₃ и t₄ количество цементита увеличивается. Поскольку цементит содержит 6,67% углерода, в остающемся аустените количество углерода в соответствии с точками линии ES. В точке t₄ = 727°С оставшийся аустенит, содержащий 0,83% углерода (точка S), окончательно распадается на перлит. Перлит – это эвтектоид – мелкая механическая смесь феррита и цементита вторичного. Окончательная структура сплава – перлит и цементит вторичный.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: