16.Микроструктура железо - углеродистых сплавов в равновесном состоянии. Структурные признаки сталей и чугунов
Сплавы железа с углеродом, имеющие промышленное применение, называются чугунами и сталями. Наибольшее количество углерода в этих сплавах достигает 6,67%.Если в сплаве содержится 93,33% Fe и 6,67% С, то при кристаллизации образуется химическое соединение, называемое карбидом железа или цементитом (Fe3C).Сплавы Fe — Fe3C с содержанием углерода до 6,67% (имеют большое практическое значение).На рис. 30 показана диаграмма состояния сплавов Fe—Fe3C. По оси ординат отложены температура, а по оси абсцисс — концентрация углерода в процентах. Левая ордината соответствует содержанию 100% Fe, а правая ордината —содержанию 6,67% С или 100% цементита Fe3C.Температура плавления железа — 1535° С (точка А на диаграмме); температура плавления цементита Fe3C — 1550° С (точка D на диаграмме); температура 910° С (точка G) соответствует аллотропическому превращению железа α ↔ γ; точка Е характеризует максимальную растворимость углерода в γ железе при 1130° С (2,0% С); линия ACD —линия начала кристаллизации сплавов (линия ликвидуса); линия AECF —линия конца кристаллизации сплавов (линия солидуса); линия GSE —линия начала перекристаллизации сплавов в твердом состоянии; линия PSK (температура 723° С) —линия конца превращений структурных составляющих в твердом состоянии.
При затвердевании железоуглеродистых сплавов образуются следующие структурные составляющие:
1) Аустенит — твердый раствор углерода в Feγ Он имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба и под микроскопом представляется в виде светлых зерен с характерными двойными линиями. Твердость аустенита НВ 220; он немагнитен и при охлаждении сплавов существует только до температуры 723° С.
2) Феррит — твердый раствор углерода в Feα; он имеет кристаллическую решетку объемноцентрированного куба, его свойства близки к свойствам чистого железа: пластичен ( δ=50%); мягок (НВ 80); предел прочности σв= 250 Мн/м2 (25 кГ/мм2); до температуры 768° С он обладает магнитными свойствами.
3) Цементит или карбид железа Fe3C обладает высокими твердостью (НВ 800) и хрупкостью; различают три формы цементита:
а) первичный цементит (Ц1), выделяющийся при первичной кристаллизации из жидкого сплава;
б) вторичный цементит (Ц2), выделяющийся из твердого раствора аустенита;
в) третичный цементит (Ц3), выделяющийся из твердого раствора феррита.
Все формы цементита имеют одинаковое кристаллическое строение и свойства, но различную величину частиц-пластинок или зерен. Наиболее крупными являются частицы первичного цементита, а наиболее мелкими —частицы третичного.
До температуры 210° С цементит обладает магнитными свойствами.
Перлит — эвтектоидная смесь феррита и цементита. Образуется из аустенита при перекристаллизации сплава в твердом состоянии и содержит 0,8% С. Перлит имеет пластинчатое или зернистое строение, в зависимости от этого его механические свойства колеблются в следующих пределах: НВ 160—230; σв = 630 ÷ 820 Мн/м2 (63—82 кГ/мм2); δ = 15 ÷ 20%.
Ледебурит— эвтектическая смесь аустенита и первичного цементита образуется при температуре 1130° С (точка С на диаграмме) и содержит 4,3% С; он твердый (НВ 700) и хрупкий.
Ледебурит является структурной составляющей белых чугунов.
В зависимости от концентрации углерода и структуры стали и чугуны подразделяют на следующие структурные группы: доэвтектоидные стали (до 0,8% С); структура —феррит и перлит; эвтектоидная сталь (0,8% С); структура —перлит; заэвтектоидные стали (от 0,8 до 2,0%); структура —перлит и вторичный цементит; доэвтектические (белые) чугуны (от 2 до 4,3%); структура —ледебурит (распавшийся), перлит и вторичный цементит; эвтектический белый чугун (4,3% С); структура—ледебурит; заэвтектические белые чугуны (от 4,3 до 6,67% С); структура —ледебурит (распавшийся) и первичный цементит.
Рассмотренная диаграмма состояния Fe — Fe3C является неравновесной (метастабильной), так как она получена в условиях сравнительно быстрого охлаждения, при которых углерод находится в виде Fe3C.
Если железоуглеродистые сплавы подвергать очень медленному охлаждению или же вводить в них кремний, способствующий графитизации, то вместо цементита в чугунах может быть получен углерод в структурно свободном состоянии в виде графита, являющегося продуктом распада цементита по реакции Fe3C = 3Fe + С. Превращения, протекающие с выделением графита, обозначают на диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов штриховыми линиями (см. рис. 30). Диаграмма состояния Fe — С является равновесной (стабильной); по ней получаются серые чугуны, структурным признаком которых является наличие графита, выделяющегося на ферритной основе.
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов имеет большое практическое значение. Она используется для определения температур нагрева стали при различных видах термической обработки, при определении температурных интервалов для горячей обработки стали давлением (ковка, штамповка, прокатка), а также для определения температур плавления и кристаллизации стали и чугунов в литейном производстве.
17.Превращения в чугунах доэвтектических, эвтектических и заэвтектических
К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 %С (рис. 1).
Практическое применение находят чугуны с содержанием углерода до 4 – 4,5 %. При большем количестве углерода, механические свойства существенно ухудшаются.
Промышленные чугуны не являются двойными сплавами, а содержат кроме Fe и С, такие же примеси, как и углеродистые стали Мn, Si, S, P и др. Однако в чугунах этих примесей больше и их влияние иное, чем в сталях. Если весь имеющийся в чугуне углерод находится в химически связанном состоянии, в виде карбида железа (F3C - цементит), то такой чугун называется белым. Чугуны, в которых весь углерод или большая часть, находится в свободном состоянии в виде графитных включений той или иной формы, называются графитизированными.
Белые чугуны
Микроскопический анализ белых чугунов проводят, используя диаграмму состояния Fe – Fe3С (рис. l). Из-за присутствия большого количества цементита белый чугун обладает высокой твердостью (HB = 4500 – 5500 МПа), хрупок и практически не поддастся обработке резанием. Поэтому белый чугун имеет ограниченное применение, как конструкционный материал.
Обычной структурной составляющей белых чугунов является ледебурит. Ледебуритом называют смесь аустенита и цементита, образующуюся по эвтектической реакции при переохлаждении жидкости состава точки С (4,3 % углерода) ниже температуры 1147 °C.
эвтектика (ледебурит)
Чугун, содержащий 4,3 %С (точка С), называется белым эвтектическим чугуном. Левее точки С находятся доэвтектические, а правее - заэвтектические белые чугуны.
В доэвтектических белых чугунах из жидкой фазы кристаллизуется аустенит, затем эвтектика – ледебурит.
При охлаждении чугуна в интервале температур от 1147 °С до 727 °С аустенит обедняется углеродом, его состав изменяется по линии ЕS и выделяется вторичный цементит. При небольшом переохлаждении ниже 727 °С аутенит состава точки S по эвтектоидной реакции распадается на перлит (Ф + Ц)
Рис. 1. Структурная диаграмма состояния системы железо-цементит
(в упрощенном виде)
Вторичный цементит, выделяющийся по границам зерен аустенита, сливается с цементитом ледебурита. Под микроскопом трудно различить включения вторичного цементита.
Таким образом, при комнатной температуре в доэвтектических белых чугунах находятся три структурные составляющие – перлит, ледебурит и вторичный цементит (рис. 2).
Эвтектический белый чугун при комнатной температуре состоит из одной структурной составляющей – ледебурита. Последний, в свою очередь, состоит из перлита и цементита и называется ледебуритом превращенным.
В заэвтектических белых чугунах из жидкости кристаллизуется первичный цементит в виде плоских игл, затем образуется ледебурит.
Рис. 2. Микроструктура белых чугунов (слева схематическое изображение): а) доэвтектический; б) эвтектический; в) заэвтектический
При комнатной температуре эаэвтектический белый чугун содержит две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит.
Фазовый состав белых чугунов при комнатной температуре такой же, как в углеродистых сталях в равновесном состоянии, все они состоят из феррита и цементита.