4. Железо и его сплавы
Железо обладает температурным полиморфизмом и может существовать в двух аллотропических модификациях: в виде Fe-α с ОЦК и Fe-γ с ГЦК кристаллическими решетками. С углеродом железо образует твердые растворы и химическое соединение.
Твердый раствор внедрения углерода в Fe-α называется ферритом. Растворимость углерода в нем максимум 0,02 % при температуре 727 ºС. Феррит обладает низкой твердостью и высокой пластичностью.
Твердый раствор внедрения углерода в Fe-γ называется аустенитом. Максимум растворимости углерода в аустените 2,14 % (при температуре 1147 ºС). В равновесном состоянии аустенит существует лишь выше 727 ºС. Он обладает высокой пластичностью и низкой твердостью.
Железо с углеродом образует химическое соединение Fе3С– цементит, очень твердый и хрупкий. Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода менее 2,14 % , называются сталями, более ─ чугунами. На рис. 4.1 представлена диаграмма состояния Fе-Fе3С. Кристаллизация сталей завершается на линии AHJE, на линии HJB протекает перитектическое превращение. По равновесной структуре стали в зависимости от содержания углерода подразделяют на техническое железо (С ≤ 0,02 %), доэвтектоидные (0,02 < С< 0,8 %), эвтектоидные (С = 0,8 %) и заэвтектоидные (0,8 < С ≤ 2,14 %). В структуре технического железа присутствует феррит и третичный цементит, выделяющийся при охлаждении сплава ниже 727 ºС из феррита.
Рис. 4.1. Диаграмма состояния Fе-Fе3С
Структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита. Перлит ─ это эвтектоид ─ механическая смесь феррита и цементита, образующаяся в результате эвтектоидного превращения из аустенита при переохлаждении сплавов ниже линии эвтектоидных превращений PSK, равной 727 ºС. Перлит содержит 0,8 % углерода. По относительному количеству перлита можно судить о содержании углерода в сплаве. Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода. Структура ее полностью состоит из перлита.
В структуре заэвтектоидной стали содержатся перлит и вторичный цементит, выделяющийся при охлаждении сплава в интервале температур 1147…727 ºС из аустенита в соответствии с линией предельной растворимости SE диаграммы Fе- Fе3С. Чугуны, кристаллизующиеся по диаграмме Fе-Fе3С и содержащие весь углерод в химически связанном состоянии в виде Fе3С, называют белыми. Кристаллизация белых чугунов завершается эвтектическим превращением при переохлаждении сплавов ниже линия ECF, равной 1147 ºС, c образованием эвтектики – механической смеси аустенита и цементита, называемой ледебуритом. При переохлаждении ниже 727 ºС аустенит претерпевает эвтектоидное превращение и образуется ледебурит превращенный, представляющий смесь перлита и цементита.
По равновесной структуре белые чугуны подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Содержание углерода в доэвтектическом чугуне находится в пределах 2,14...4,3 %. Структура его состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита превращенного.
Эвтектический чугун содержит 4,3 % углерода и имеет структуру ледебурита превращенного. В заэвтектическом чугуне содержится более 4,3 % углерода (до 6,67 %). Его структура состоит из первичного цементита и ледебурита превращенного.
а) б) в) г)
Рис.4.2. Структурные составляющие в системе Fе-Fе3С: а ‑ аустенит (увеличение х250); б ‑ феррит (х250); в ‑ ледебурит(х200); г ‑ перлит (х10000)
Эвтектический чугун содержит 4,3 % углерода и имеет структуру ледебурита превращенного. В заэвтектическом чугуне содержится более 4,3 % углерода (до 6,67 %). Его структура состоит из первичного цементита и ледебурита превращенного.
Чугуны со структурно свободным углеродом в зависимости от геометрической формы графитных включений называют: серыми (пластинчатый графит), ковкими (хлопьевидный графит), высокопрочными (шаровидный графит). Металлическая основа чугунов может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. В ферритных чугунах весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита. В перлитных ─ 0.8 % углерода связанно в цементит, остальной углерод находится в свободном состоянии. При одинаковой металлической основе механические свойства чугунов возрастают от серого к высокопрочному.
Серые чугуны получают при охлаждении отливок с обычными скоростями, характерными для песчаных форм (при больших скоростях получают белый чугун). Маркируют серые чугуны буквами СЧ и числом, обозначающем временное сопротивление разрушению σв в кг/мм2 (в десятых долях МН/м2), например СЧ 24.
а) б) в) г)
Рис.4.3. Микроструктуры сплавов в системе Fе-Fе3С (х200):
а ‑ доэвтектоидная сталь; б ‑ заэвтектоидная сталь; в ‑ доэвтектический чугун; г ‑ заэвтектический чугун
а) б) в) г)
Рис.4.4. Микроструктуры чугунов (х200): а ‑ ферритный серый; б ‑ ферритный ковкий; в ‑ перлитный ковкий; г ‑ ферритно-перлитный высокопрочный.
Ковкие чугуны получают путем длительного графитизирующего отжига белых чугунов. Маркируют ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, первое из которых ─ σв в кг/мм2, второе ─ относительное удлинение δ в %, например, КЧ 37-12.
Высокопрочные чугуны получают путем модифицирования в ковшах расплава серого чугуна магнием или церием. Маркируют чугуны буквами ВЧ и числом, обозначающим σв в кг/мм2, например ВЧ 65.