899-materialovedenie-560kb

Микроструктура сталей

Для выявления микроструктуры сталей чаще всего используют раствор 1...5 % HNО3 в спирте. Все стали, независимо от содержания углерода, при кристаллизации попадают в однофазную область аустенита (на диаграмме состояния область NJESG).

Микроструктура медленно охлажденных сталей, наблюдаемая при комнатной температуре, складывается в результате тех превращений, которые претерпевает при охлаждении аустенит. По составу и микроструктуре стали подразделяют на доэвтектоидные, эвтектоидную и заэвтектоидные.

Эвтектоидная сталь (0,8 % С) при температуре выше 727 °С состоит из зерен аустенита, являющегося здесь ненасыщенным твердым раствором углерода в γ-Fe. При охлаждении до температуры 727 °С аустенит (точка S) становится насыщенным одновременно по отношению к ферриту (состава точки Р) и к цементиту (точка K). При переохлаждении ниже температуры 727 °С аустенит претерпевает эвтектоидный распад на феррит и цементит.

Доля цементита в эвтектоидной смеси, в соответствии с правилом рычага, равна PS/PK и составляет 12 %.

Эвтектоид растет внутри аустенитных зерен в виде колоний, состоящих из пластин феррита (более толстых) и пластин цементита. При травлении сталей 1...5%-ным раствором азотной кислоты в спирте полированная поверхность шлифа приобретает перламутровый оттенок, поэтому эвтектоидная смесь феррита с цементитом получила название перлит. Это одна из самых известных структурных составляющих промышленных сплавов.

В доэвтектоидных сталях (<0,8 % С) аустенит при охлаждении до линии GS становится насыщенным по отношению к ферриту и при дальнейшем охлаждении из аустенита выделяется феррит. Когда концентрация углерода в аустените достигает 0,8 %, в доэвтектоидной стали происходит эвтектоидный распад. Таким образом, во всех сталях, находящихся по составу между точками Р и S (см. рис. 4.1), имеются две структурные составляющие: феррит и перлит. С увеличением содержания углерода в доэвтектоидной стали доля доэвтектоидного феррита изменяется от 100 % (сталь состава точки Р) до 0 % (сталь состава точки S).

Если углеродистая сталь медленным охлаждением из аустенитной области приведена в равновесное состояние, то по микро-

40

структуре можно определить содержание в ней углерода, который распределен между доэвтектоидным ферритом и перлитом. В чистом перлите содержится 0,8 % С. Содержанием углерода в феррите можно пренебречь и считать, что практически весь углерод доэвтектоидной стали находится в перлите, на который приходится только часть объема данной стали, содержащей ХС, (% масс.) углерода. Поэтому, зная Fп – площадь шлифа, занимаемой перлитом, можно определить ХС:

ХС = 0,8Fп/100.

Эта пропорция вытекает из примерного равенства плотностей феррита и перлита. Площадь перлита чаще всего оценивают на глаз. Такой метод может показаться слишком грубым. В действительности же он дает хорошие результаты. Если ошибка в оценке Fп равна 10 %, то абсолютная ошибка в определении содержания углерода составляет всего 0,08 %.

Встали, содержащей <0,02 % С (такую сталь называют техническим железом), после полного превращения аустенита в феррит (между линиями GS и GP) (см. рис. 4.1), при дальнейшем охлаждении феррит на линии PQ становится насыщенным по отношению к цементиту, выделяющемуся по границам ферритных зерен в виде тонких прожилок. Такой цементит называют третичным, в отличие от первичного цементита, кристаллизующегося из расплава по линии ликвидуса CD, и в отличие от вторичного цементита, выделяющегося из аустенита по линии сольвуса ES. В стали состава точки Р, в которой доля третичного цементита максимальна, она составляет всего ~ 0,3 %.

Взаэвтектоидных сталях (>0,8 % С) по достижении линии ES аустенит становится насыщенным по отношению к цементиту, который при дальнейшем охлаждении стали выделяется в виде тонкой сетки по границам аустенитных зерен. Когда аустенит приобретает эвтектоидный состав (0,8 % С), он превращается в перлит. В результате заэвтектоидная сталь содержит две структурные составляющие: вторичный цементит и перлит.

Чем больше содержание углерода в заэвтектоидной стали, тем больше в ней вторичного цементита. Его доля максимальна в ста-

ли состава точки Е (см. рис. 4.1), где, по правилу рычага, она равна (2,14 – 0,8)/(6,67 – 0,8) · 100 ≈ 23 %.

Области составов сталей с разными структурными составляющими показаны на рис. 4.2.

41

T, °C

		L
L + A		L + Ц1
A
		1147°

Ф + П
Ф + А		А + Ц2	А + Ц2 + П Л Л + Ц1
Ф			727°
	П Ц2 + П Апр + Ц2 + Лпр Лпр Лпр + Ц1
Ф + Ц3
0,02	0,80	2,14	4,3
Fe			Fe3C

Рис. 4.2. Структурные составляющие сплавов системы железо – цементит: П – перлит; Ц1, Ц2 и Ц3 – соответственно первичный, вторичный и третичный цементит; Л – ледебурит; Лпр – превращенный ледебурит; Апр – превращенный аустенит

Микроструктура белых чугунов

Для выявления микроструктуры чугунов используют тот же травитель, что и для сталей: 1...5%-ный раствор HNO3 в спирте.

Как уже указывалось, белые чугуны находятся на диаграмме состояния железо–цементит правее точки Е, т.е. все они, в отличие от сталей, обязательно должны содержать эвтектику. Благодаря большому содержанию цементита эти чугуны имеют светлый излом и потому называются белыми. Белые чугуны подразделяют на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические.

В эвтектическом белом чугуне (4,3 % С) охлаждающийся жидкий раствор при температуре 1147 °С насыщается одновременно по отношению к аустениту (состава точки Е) и к цементиту (см. рис. 4.1), и из него кристаллизуется эвтектика А + Ц, называемая ледебуритом (по имени немецкого металлурга А. Ледебура). Соотношение долей аустенита и цементита в ледебурите, согласно правилу рычага, равно примерно 50:50.

42

Вдоэвтектических белых чугунах (<4,3 % С) первично кристаллизуется аустенит в виде дендритов с округлыми ветвями. Когда состав жидкого раствора попадает в точку С, кристаллизуется ледебурит.

Взаэвтектических белых чугунах (>4,3 % С) первично кристаллизуется цементит. Произвольные сечения пластин первичного цементита на шлифе имеют вид узких светлых полос. При кристаллизации первичного цементита, когда состав жидкого раствора попадает в точку С (см. рис. 4.1), кристаллизуется ледебурит.

После окончания затвердевания во всех белых чугунах при охлаждении состав аустенита изменяется по линии ES (см. рис. 4.1), и из него выделяется вторичный цементит. Когда состав аустенита попадает в точку S и при переохлаждении ниже 727 °С как первичный, так и эвтектический аустенит претерпевают эвтектоидный распад, превращаясь в перлит. Дендриты первичного аустенита, превратившегося в перлит, сохраняют свои первоначальные очертания и поэтому соответствующую структурную составляющую называют превращенным аустенитом. Ледебурит, внутри колоний которого аустенитные кристаллы превратились в перлит, называют превращенным ледебуритом.

Таким образом, при комнатной температуре можно увидеть следующие структурные составляющие (см. рис. 4.2):

– в доэвтектическом белом чугуне – первичный превращенный аустенит и превращенный ледебурит;

– в эвтектическом чугуне – превращенный ледебурит;

– в заэвтектическом белом чугуне – первичный цементит и превращенный ледебурит.

Взаключение следует заметить, что независимо от сочетания структурных составляющих, и стали, и белые чугуны при комнатной температуре состоят из одних и тех же фаз – феррита и цементита.

Микроструктура серых чугунов

Микроструктуру серых чугунов анализируют, используя диаграмму состояния стабильной системы железо–графит (см. рис. 4.1, пунктирные линии). Она отличается от диаграммы состояния метастабильной системы железо–цементит только в той части, где в фазовых равновесиях участвует высокоуглеродистая фаза (графит или цементит).

Предельная растворимость графита в γ-Fe при эвтектической температуре соответствует точке Е′ (2,03 % С) (см. рис. 4.1).

43

Аустенито-графитная эвтектика образуется по реакции

LС′ 1153 °C→ (γ-Fe)Е′ + C.

Линия сольвуса E′S′ относится к равновесию аустенита с графитом. В пересечении сольвуса E′S′ с линией полиморфного превращения аустенита в феррит GS′ находится эвтектоидная точка S′ (0,69 % C), через которую при 738 °С проходит эвтектоидная горизонталь P′S′K′ (точка K′ относится к графиту). Эвтектоидный распад аустенита в стабильной системе идет по реакции

(γ-Fe)S′ 738 °C→ (α-Fe)P′ + C.

Точка Р′ характеризует предельную растворимость графита в феррите при эвтектоидной температуре.

Так как в структуре чугуна содержится графит, то излом имеет серый цвет, и такой чугун называют серым.

Серый чугун с пластинчатым графитом маркируют буквами СЧ, за которыми следует число, обозначающее гарантируемое временное сопротивление σв при растяжении в кгс/мм2, например СЧ10, СЧ25, СЧ30.

Для образования цементита требуется бо́льшее переохлаждение жидкого раствора или аустенита, чем для образования графита: система сплошных линий метастабильных равновесий с участием цементита находится ниже системы пунктирных линий стабильных равновесий с участием графита (см. рис. 4.1). Какая высокоуглеродистая фаза образуется в чугуне – графит или цементит, определяется прежде всего степенью переохлаждения исходного жидкого или твердого раствора, а она тем больше, чем больше скорость охлаждения чугуна.

Если при медленном охлаждении чугуна эвтектического состава жидкий раствор переохлаждается до температур ниже горизонтали E′C′F′, но выше горизонтали ECF (рис. 4.1), то образование ледебурита (L → (γ-Fe) + Fe3C) вообще невозможно, и кристаллизуется аустенито–графитная эвтектика (L → (γ-Fe) + C).

В обычном сером чугуне при медленном охлаждении во время кристаллизации графит очень слабо разветвляется. Он похож на розетку с небольшим числом изогнутых лепестков или на крабовидные образования. Графит плохо полируется и, рассеивая свет, имеет темный оттенок на светлом фоне металлической матрицы.

Из-за слабого ветвления ведущей фазы – графита и, соответственно, грубого внутреннего строения аустенито-графитной колонии эвтекти-

44

ки на шлифе не всегда можно различить наличие колоний (γ-Fe) + C. Аустенито-графитная эвтектика не имеет специального названия.

С ускорением охлаждения, но так, чтобы еще не образовался ледебурит, графит при эвтектической кристаллизации ветвится сильнее, его отростки становятся тоньше и на шлифе они имеют вид тонких и коротких чешуек и завихрений.

Вдоэвтектическом сером чугуне вначале проходит первичная кристаллизация аустенита, при которой жидкий раствор обогащается

углеродом и приобретает эвтектический состав. Если эвтектические колонии (γ-Fe) + C на шлифе не выявляются, а видны лишь грубые изолированные пластины графита, то не видно и очертаний первичных кристаллов аустенита, и доэвтектический серый чугун не отличается по микроструктуре от эвтектического.

Взаэвтектическом чугуне при переохлаждении жидкого раствора до температур ниже линии C′D′, но выше линии CD (см. рис. 4.1), кристаллизуется первичный графит. Он растет в виде слабо разветвленных крабовидных образований. При первичной кристаллизации графита жидкий раствор обогащается железом и приобретает эвтектический состав. Эвтектический графит отличается на шлифе от более грубого первичного графита.

Вцелом же медленно закристаллизованные серые чугуны по микроструктуре обычно трудно подразделить по составу на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические.

По окончании затвердевания любой серый чугун состоит из аустенита состава точки Е′ и графита. При последующем медленном охлаждении состав аустенита изменяется по линии E′S′ и выделяется вторичный графит. Он наслаивается на ранее образовавшийся из жидкости эвтектический и первичный графит. Самостоятельную структурную составляющую вторичный графит, как правило, не образует.

Заключительным превращением в сером чугуне является эвтектоидный распад аустенита. В зависимости от скорости охлаждения он может проходить по разной схеме. Если при медленном охлаждении

аустенит переохлаждается до температур ниже горизонтали P′S′K′, но выше горизонтали PSK (см. рис. 4.1), то превращение (γ-Fe) → (α-Fe) +

+Fe3C произойти не может, и аустенит распадается на феррит и графит: (γ-Fe) → (α-Fe) + C. При этом эвтектоидный графит наслаивает-

ся на уже имеющиеся графитные включения, и колонии эвтектоида (α-Fe) + C не образуются. Если по схеме (γ-Fe) → (α-Fe) + C распадается весь аустенит, то серый чугун состоит из двух структурных

45

составляющих – графита (темные изогнутые прожилки) и феррита (светлые зерна). Такой чугун называют ферритным, или серым чугуном на ферритной основе. Для выявления строения металлической основы серых чугунов используют тот же травитель, что и для сталей – слабый раствор HNО3 в спирте.

При ускоренном охлаждении аустенит в сером чугуне может переохладиться до температур ниже горизонтали PSK (см. рис. 4.1), и тогда распад аустенита идет по схеме (γ-Fe) → (α-Fe) + Fe3C с образованием колоний перлита. Такой чугун называют перлитным, или серым чугуном на перлитной основе.

При скорости охлаждения, промежуточной между двумя указанными случаями, часть аустенита распадается по схеме (γ-Fe) → (α-Fe) + C (при переохлаждении до температур между горизонталями P′S′K′ и PSK), а оставшаяся часть аустенита, переохлаждаясь до температур ниже горизонтали PSK, распадается по схеме (γ-Fe) → (α-Fe) + Fe3C с образованием колоний перлита. В результате чугун содержит три структурные составляющие: графит, расположенный вокруг него феррит эвтектоидного происхождения и перлит. Такой чугун называют

ферритоперлитным, или серым чугуном на ферритоперлитной основе. Чем больше скорость охлаждения, тем бо́льшая доля аустенита превращается в перлит.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом

При введении в чугун ~ 0,05 % магния или церия графит кристаллизуется в шаровидной или близкой к ней форме. Для получения такого графита в литейных цехах используют также комплексные модификаторы, содержащие магний, кальций и редкоземельные металлы. Поэтому такой чугун еще называют модифицированным.

Шаровидные включения графита меньше, чем пластинчатые, ослабляют сечение металлической матрицы и, главное, не являются такими сильными концентраторами напряжений, как пластинчатые включения графита.

Чугуны с шаровидным графитом называют высокопрочными и обозначают буквами ВЧ, за которыми следует число, указывающее гарантируемое значение σв в кгс/мм2, например, ВЧ35, ВЧ50, ВЧ80. Так же, как и серые чугуны, они подразделяются по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации и бывают на ферритной, ферритоперлитной и перлитной основах.

46

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают графитизирующим отжигом белого чугуна. При отжиге белого чугуна на ковкий образуется графит в благоприятной для механических свойств компактной хлопьевидной форме, называемый также графитом отжига.

Хотя ковкий чугун и не куют, относительное удлинение у него может достигать гарантированного уровня 10...12 %, в то время как у исходного белого чугуна оно не превышает 0,2 %, а у серого чугуна с пластинчатым графитом – 1 %.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ, за которыми следуют два числа, обозначающие минимальные величины σв (кгс/мм2) и δ (%).

Перлит примерно в 2,5 раза прочнее и тверже феррита, но менее пластичен. Поэтому с увеличением количества перлита в структуре ковкого чугуна прочностные свойства растут, а пластичность снижается. Например, у ферритного ковкого чугуна марки КЧ37-12 σв = 370 МПа и δ = 12 %, а у перлитного чугуна марки КЧ63-2 σв = 630 МПа и δ = 2 %.

Режим отжига белого чугуна на ковкий представлен на рис. 4.3. Исходный фазовый состав белого чугуна такой же, как у стали: феррит и цементит. При нагреве происходит перлитно-аустенитное превращение и растворение вторичного цементита. Во время выдержки около 10 ч при 900...1050 °C проходит первая стадия графитизации (см. рис. 4.3, I), по окончании которой весь цементит эвтектического происхождения и остатки вторичного цементита заменяются графитом и структура из аустенито-цементитной превращается в аустенитографитную. При охлаждении чугуна после окончания первой стадии графитизации состав аустенита изменяется по линии E′S′ (см. рис. 4.1) и из него выделяется вторичный графит, который наслаивается на включения углерода отжига и обычно самостоятельной структурной составляющей не дает.

На второй стадии отжига (см. рис. 4.3, II) формируется металлическая матрица ковкого чугуна. Для получения чисто ферритной матрицы охлаждение в интервале температур эвтектоидного распада (727 °С) должно быть медленным (см. рис. 4.3); для получения чисто перлитной матрицы проводят ускоренное охлаждение; если для получения ферритной матрицы охлаждение отливки в интервале эвтектоидного превращения не замедлить, то получится чисто перлитный ковкий чугун. Его структура состоит из углерода отжига и перлитной матрицы.

47

Рис. 4.3. Режим отжига белого чугуна на ковкий: I и II – первая и вторая стадии графитизации

4.2. Порядок проведения работы

Просмотреть приготовленные шлифы сталей и чугунов при различных увеличениях и схематично зарисовать их микроструктуру при одном увеличении.

4.3. Требования к отчету

Представить зарисовки микроструктур сталей и чугунов. Указать увеличение микроскопа.

Под каждой структурой дать соответствующую ей подпись и стрелками указать структурные составляющие.

Литература

Металловедение / И.И. Новиков, В.С. Золоторевский и др. М.: Изд. дом МИСиС, 2009. Т. 1. С. 130–143; Т. 2. С. 75–76, 254–256, 257–258.

Контрольные вопросы

1.Какие сплавы относятся к сталям?

2.Как классифицируют углеродистые стали?

48

3.Какова предельная растворимость углерода в феррите и аусте-

ните?

4.Какой процесс протекает в сталях при переохлаждении ниже температуры 727 °С?

5.Что такое перлит?

6.Сталь какого состава называют эвтектоидной?

7.Какие структурные составляющие имеют доэвтектоидная сталь, заэвтектоидная сталь?

8.Как по микроструктуре доэвтектоидной стали можно определить содержание в ней углерода?

9.Какие сплавы относят к чугунам?

10.Какой процесс протекает в белых чугунах при переохлаждении ниже температуры 1147 °С?

11.Сколько содержится углерода в ледебурите?

12.Какие структурные составляющие наблюдаются при комнатной температуре в доэвтектическом, эвтектическом и заэвтектическом белых чугунах?

13.Какие чугуны называют серыми и чем они отличаются от бе-

лых?

14.Какими методами получают ковкий и высокопрочный чугуны?

Как они маркируются?

49