Глава VII. Сталь и чугун

Сталь и чугун — железоуглеродистые сплавы являются основой современной техники.

1. Диаграмма состояния Fe—Fe3c

Открытие критических точек (температур) в стали и установление зависимости их от содержания углерода Д.К. Черновым в 1868 г. положило начало изучения диаграммы состояния железо-углерод. Первый вариант диаграммы построен Маннесманом в 1879 г. Более интересной была диаграмма, построенная Аустеном в последние годы XIX в. Революционное совершенствование методов исследования строения материалов в XX в. позволили уточнить диаграмму. Её уточнение продолжается и в настоящее время. Современный вид диаграмма приобрела к началу 20-х годов прошлого века. Важнейшими работами по построению диаграммы железо-углерод являются работы Ф. Осмонда (Франция), Р. Аустена (Англия), А. А. Байкова, Н. Т. Гудцова (Россия).

Диаграмма состояния железо-углерод является основой для выбора режимов термических процессов обработки сталей и чугунов. Её изучение позволяет понять сущность всех превращений сплавов железа с углеродом разного состава при нагреве и охлаждении.

Железо с углеродом образует химические соединения, именуемые карбидами железа: Fe₃C, FeC. Карбиды железа могут рассматриваться как самостоятельные компоненты сплава (см. из разбор диаграмм состояния в выпуске 6). Анализ диаграммы состояния железо-углерод, где в качестве одного компонента рассматривается железо, а другого — химическое соединение Fe₃C (цементит), показал, что максимальное содержание углерода составляет 6,67%.

Диаграмма железо-углерод охватывает ограниченный участок сплавов с концентрацией углерода от 0 до 6,67%. Однако практически этого достаточно.

Для понимания диаграммы железо—углерод необходимо в пер­вую очередь познакомиться со строением и свойствами исходных компонентов этой системы.

Железо. Железо является переходным металлом № 26, имеет недостроенную d — электронную оболочку атома.

№ 1. Какова электронная модель атома железа? Ответ: 1) Is²2s²lp⁴2p⁶3s²3p⁶3d²4s² (с. 213); 2) Is²2s²2p⁶3s^z3p⁶3d⁸ (с. 214); 3) Is²2s²2p⁶3s²3p⁶3d4s² (с. 215).

Абсолютно чистое железо может быть получено только в специальных условиях. Технически чистым считается железо с содержанием примесей 0,1, ..., 0,2%, в т.ч. 0,02, ..., 0,05% С. Такое железо называется железом Армко и производится для электротехнических целей в большом количестве. Чистейшее железо имеет совсем другие свойства по сравнению с технически чистым железом. Изучение железа очень высокой чистоты только начинается.

Железо имеет полиморфные превращения при двух температурах: 1392°С и 910°С. На рис. 78 приводится кривая охлаждения железа. При температурах ниже 910°С существует Fe с решеткой о.ц.к. (период 2,8606 кХ). В интервале температур выше 910°С и ниже 1392°С устойчиво Fe_ с решеткой г.ц.к. (периодом 3,645 кХ). Выше 1392°С до температуры плавления 1535±5°С железо снова имеет о.ц.к. решетку и называется Fe_ (иногда, чтобы отличить низкотемпературное Fe_ от высокотемпературного, последнее обозначают Fee). Ниже 768°С железо ферромагнитно, выше — парамагнитно. Критическую температуру 1392°С превращения Fe_Fe_ обозначают точкой А₄, температуру 910°С превращения Fe_Fe_ — точкой А₃. Точка Кюри железа 768°С обозначается А₂.

Механические свойства железа технической чистоты: 25 кГм/мм², 12 кГм/мм², 50%,86%, НВ 80 кГ/мм², а_{н g}@ 30 кГм/ом². Эти свойства в значительной степени зависят от величины зерна.

Железо со многими элементами образует твердые растворы. С элементами, имеющими атомные радиусы близкие к атомному радиусу железа, образуются твердые растворы замещения. С водородом, азотом и углеродом железо образует твердые растворы внедрения.

Растворимость углерода в -железе весьма незначительная, составляет при температуре 600°С около 0,01%. Твердый раствор углерода в -железе называется ферритом.

В -железе растворимость углерода доходит до 2,14%. Твердый раствор углерода в -железе у называется аустенитом.

Со многими элементами железо образует металлические соединения.

№ 2. Как изменяется объем железа при превращении Fe_Fe_? Ответ: объем 1) увеличивается (с. 214); 2) уменьшается (с. 213); 3) остается неизменным (с. 214).

Цементит. Химическое соединение железа с углеродом с формулой Fe₃C называется цементитом.

Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. В вершинах октаэдров находятся атомы железа, каждый из которых одновременно принадлежит двум октаэдрам; атом углерода находится в центре октаэдра. Характер связи между атомами углерода и железа в цементите точно не установлен. Однако в кристаллах цементита железо и углерод положительно ионизированы, благодаря чему цементит характеризуется некоторыми металлическими свойствами (элект­ропроводностью, металлическим блеском).

Цементит очень твердый (НВ @ 800) и весьма хрупок. Температура плавления Fe₃C около 1600°С. Атомы железа в цементите могут замещаться атомами некоторых других металлов. В этом случае образуется легированный цементит. Углерод в цементите практически не растворяется.

Цементит — соединение неустойчивое и в определенных условиях может разлагаться на железо и углерод в виде гра­фита, что имеет большое значение в процессе структурообразования чугуна.

Диаграмма состоянияFe—Fe₃C (железо—цементит) представлена на рис. 79. По оси абсцисс на диаграмме приведено содержание углерода и цементита Fe₃C. Видно, что количество цементита в сплаве равно 15-кратному содержанию углерода.

На диаграмме Fe—Fe₃C имеется 8 однофазных участков: на левой оси ординат отрезок AN соответствует а() -железу, отрезок NG — g-железу, отрезок ниже точки G -железу. Правая ордината DFKL соответствует цементиту (Ц). Область выше линии ликвидус ABCD соответствует жидкому состоянию (Ж). И области AHN твердый раствор углерода в -железе — феррит (Ф) (иногда обозначают  — твердый раствор). В области NJESG твердый раствор углерода в g-железе — аустенит (A).

В области GPO твердый раствор углерода в a-железе — феррит (Ф). На рис. 80 представлены микроструктуры аустенита и феррита.

Как видно из рис. 79 диаграмма состоянияFe—Fe₃C - сложная диаграмма и существенно отличается от типовых диаграмм состояний двойных сплавов, которые были разобраны ранее.

Сложный вид диаграммы Fe—Fe₃C объясняется тем, что железо обладает полиморфными превращениями в твердом виде. Полиморфизм железа обуславливает и полиморфные превращения в железоуглеродистых сплавах. Поэтому при разборе диаграммы Fe—Fe₃C можно рассматривать всю диаграмму как бы состоящую из трех диаграмм, надставленных друг на друга (/, //, /// на рис. 79).

Разбор диаграммы Fe—Fe₃C целиком основывается на материале, изложенном в разделе II. Поэтому в данном разделе приводятся лишь методические указания и задачи, разбирая которые, студент практически самостоятельно разбирает эту диаграмму. Вместе с этим по результатам работы студент получает ясное представление о степени усвоения им материала, связанного с разбором диаграмм состояния сплавов.

№ 3. При каких температурах, и какие нонвариантные превра­щения (С=0) имеют место в сплавах Fe—Fe₃C? Ответ: превращения при 1) 1147°С и 727°С эвтектические (с. 214); 2) 1147°С эвтектическое, при 727°С эвтектоидное (с. 214); 3) 1147°С эвтектическое, при 727°С эвтектоидное, при 1499°С (линия HJB) перитектическое (с. 215).

Как было установлено, в железоуглеродистых сплавах возможны три превращения, при которых число степеней свободы равно 0, т.е. имеет место сосуществование трех фаз:

• при 1499°С (линия HJB), имеем перитектическое превращение;

• при 1147°С (линия ECF), имеем эвтектическое превращение, в результате эвтектического превращения образуется эвтектическая смесь аустенита и цементита, которая называется ледебуритом;

• при 727°С (линия PSK), имеем эвтектоидное превращение, в результате этого превращения образуется эвтектоидная смесь феррита и цементита, которая называется перлитом.

Чтобы разобраться в фазовых превращениях и в достаточно сложной картине структурообразования сплавов Fe-Fe₃C, нужно выполнение следующих условий.

1) Понимать физический смысл превращений, соответствующих линиям на диаграмме. Линия ABCD является линией ликвидус и по этой линии изменяется состав жидкой фазы при кристаллизации сплавов. Линия AHJECF — линия солидус, в соответствии с которой изменяется состав кристаллизующейся фазы.

Линия HN и JN показывают температуры начала и конца перекристаллизации феррита (Ф) в аустенит (Л). В соответствии с этими линиями изменяется состав феррита (HN) и аустенита (NJ) при изменении температуры сплава. Линия GS характеризует температуру начала, линия GP — конца превращения аустенита в феррит. В соответствии с этими линиями изменяется состав аустенита (GS) и феррита {GP) при изменении температуры сплава. Линий JE и ES характеризуют предельную растворимость углерода в аустените в зависимости от температуры. Как отмечалось, при температурах линий HJB происходит перитектическое, ECF — эвтектическое, PSK — эвтектоидное превращения в железоуглеродистых сплавах.

2. Уметь пользоваться правилами для определения состава и количества фаз.

3. Ясно представлять различие между фазой и структурой сплава.

Схемы кривых охлаждения и фазовых состояний для типовых сплавов I, ..., VI приведены на рис. 81. Однако не следует их заучивать. При разборе обязательно установите, почему то или иное состояние при соответствующих температурах имеет место. В помощь при разборе каждого сплава приводятся контрольные вопросы и разбор ответов. Для краткости обозначаются: Ж — жидкость, А — аустенит, Ф — феррит, Ц — цементит, П — перлит, Л — ледебурит. Реальная структура типичных железоуглеродистых сплавов приводится на рис. 82 и 83.

У сплавав с низким содержанием углерода (С < 0,05%) при охлаждении ниже 727°С по границам ферритных зерен выделяется третичный цементит Ц_III, т.к. растворимость углерода в феррите понижается по линии PQ. На рис. 82а показана микроструктура такого сплава.

№4. Какие фазы устойчивы в области SECFK (рис. 79)? Ответ: 1) А,Л,Ц (с. 215); 2) Л и Ц (с. 214); 3) А и Ц (с. 214).

№ 5. Какие фазы устойчивы в области QPSKL (рис. 79)? Ответ: 1) Ф, П, Ц, Л (с. 213); 2) П+Ц (с. 215); 3) Ф+Ц (с. 214).

Сплав /. С@0,5% (рис. 81). Это доэвтектоидный сплав.

Кристаллизация начинается при температуре точки / выделением из жидкости кристаллов аустенита. Кристаллизация заканчивается при температуре точки 2. От точки 2 до точки 3 охлаждается аустенит. При температуре 3 из аустенита начинает выделяться феррит; при этом состав аустенита изменяется по линии GS; состав феррита — по линии GP.

№ 6. Какие фазы существуют у сплава / при 727°С, и что происходит при этой температуре (4—4 на рис. 81, б)? Ответ: 1) фазы А и Ф, происходит , П (с. 215); 2) фазы А,Ф и Ц, (с. 215); 3) фазы Ф и Ц, происходит эвтектоидное превращение (с. 214).

№ 7. Чему равно количество перлита в структуре сплава состава 0,5% С? Ответ: 1) 50%, с. 213; 2) (с. 214); 3)(с. 215).

На рис. 82б приведена микроструктура сплава с 0,15% С (темная составляющая — перлит, светлая — феррит). Все доэвтектоидные сплавы состава 0,02<С<0,8% имеют структуру, состоящую из феррита и перлита, причем количество феррита и перлита будет зависеть от состава сплава. Сравните рис. 82б и рис. 82в.

Сплав //. С = 0,8%. Эвтектоидный сплав. Кристаллизация жидкости происходит в интервале температур 1—2. Очевидно, кристаллизующейся фазой является аустенит, состав которого меняется по линии солидус JE, (рис. 79). При температуре 3 у сплава // происходит эвтектоидное превращение: аустенит превращается в перлит АФ+Ц (перлит). При достаточно большом увеличении видно, что перлит состоит из чередующихся пластин ферритных и цементитных кристаллов (рис. 82г). При определенной термообработке пластинчатый перлит может быть превращен в зернистый, структура которого показана на рис. 82д.

Сплав ///. С @ 1,2%. Заэвтектоидный сплав.

№ 8. Какая фаза образуется при кристаллизации сплава III? Каков состав и сколько этой фазы в точке а? Ответ: 1) аустенит (А) состава точки b; количество (с. 215); 2) аустенит(А) состава ; количествоА соответствует точке b (с. 214); 3) аустенит (А) состава b; количество (с. 215).

№ 9. Что происходит со сплавом /// при температуре точки 3, рис. 81? Ответ: 1) происходит выделение углерода, т.к. раствори­мость углерода в аустените ниже точки 3 меньше, чем количество углерода в сплаве (с. 215); 2) происходит выделение цементита из-за уменьшения растворимости углерода в аустените (с. 213); 3) начинается выделение вторичного цементита Ц_II из аустенита, т.к. при температурах ниже точки 3 в аустените может растворяться меньше углерода, чем количество углерода в данном сплаве (с. 215).

№ 10. Как определить относительное количество вторичного цементита Ц_II в структуре сплава ///? Ответ: 1) (с. 215); 2)(с. 214); 3) (с. 215).

На рис. 82, е показана микроструктура типичная для заэвтектоидных сплавов. Она состоит из перлита и вторичного цементита вокруг кристаллов перлита.

Рассмотрим теперь процессы структурообразования сплавов IV, V, VI, которые пересекают линию эвтектического превращения ECF. Кривые охлаждения этих сплавов приведены на рис. 81, в.

Сплав V. С = 4,3%. Это эвтектический сплав.

№11. В чем смысл превращения в сплаве V при температуре 1147°С в точке С (рис. 81)? Как называется структура, которая при этом образуется? Ответ: происходит 1) эвтектическое превращение ЖA+Д, образуется эвтектика (с. 214); 2) эвтектическое превращение Жэ(А+Ц), образуется ледебурит (с. 213); 3) эвтектоидное превращение, образуется ледебурит (с. 215).

№ 12. Что происходит в сплаве V при температуре точки 2 (727°С)? Какие фазы в этом сплаве при температурах ниже 727°С? Ответ: происходит 1) перлитное (эвтектоидное) превращение, фазы Ф+Ц (с. 215); 2) превращение аустенита ледебурита в перлит, фазы Ф+Ц (с. 215); 3) превращение аустенита эвтектики в перлит, фазы П+Ц )с. 216). Структура сплава V, состоящая из ледебурита, представлена на рис. 83б.

Сплав IV. 4,3>С>2,14% — дозвтектический сплав.

№ 13. Какие фазы, какого состава, и в каком количестве имеются в сплаве IV, когда температура только достигла точки 2 (1147°С)? См. кривую охлаждения сплава IV. Ответ: 1) аустенит состава 2,14% С, 100% (с. 214); 2) аустенит состава 2,14% С в количестве , жидкая фаза состава 4,3% С, в количестве (с. 216); 3) жидкость состава 4,3% С в количестве , аустенит состава 2,14% С и цементит состава 6,7% (с. 214).

№ 14. Из каких структурных составляющих, из каких фаз и какого состава состоит структура сплава IV после окончания кристаллизации (точка 2' на кривой охлаждения рис. 81в)? Ответ: структура состоит из 1) аустенита Л и ледебурита; фазы те же; состав А равен 2,14% С, состав Л — 4,3% С (с. 213); 2) аустенита и ледебурита; фазы: аустенит и цементит; состав А — 2,14%, С, Ц — 6,7% С (с. 216); 3) аустенита, жидкости и ледебурита, фазы А, Ж, Ц; состав А — 2,14% С, Ж — 4,3% С, Ц — 6,7% С (с. 214).

№ 15. Что происходит со сплавом IV при охлаждении от точки 2 до точки 3, рис. 81а? Ответ: 1) понижение температуры (с. 216); 2) изменение состава аустенита (с. 214); 3) выделение Ц_II из аустенита из-за понижения растворимости в нем углерода от 2,14% при 1147°С до 0,8% С при 727°С (с. 213). При температуре 727 °С аустенит превращается в перлит и структура сплава IV будет состоять из перлита, ледебурита и вторичного цементита (П+Л+ Ц_II), рис. 83а.

Сплав VI, 6,7>С>4,3% — заэвтектический сплав.

№ 16. Как определить и чем является кристаллизующая фаза этого сплава в интервале температур /—2 (рис. 81а)? Ответ: через любую точку между /—2 1) провести коноду и отношением отрезков определить состав фаз в области CDF; кристаллизуется цементит (с. 216); 2) провести коноду; проекция точки пересечения ее с линией DF показывает состав твердой фазы, которым является цементит (с. 215); 3) провести коноду до линии CD; проекция точки пересечения ее на ось концентрации определит состав твердой фазы (с. 214).

Как Вы поняли, в интервале 1—2 у этого сплава кристаллизуется цементит. Состав жидкой фазы изменяется по линии DC и при 1147°С (точка 2) жидкость имеет эвтектический состав и кристаллизуется в ледебурит. При 723 °С аустенит ледебурита превращается в перлит. Окончательная структура этого сплава: цементит и ледебурит (Ц_I+Л) представлена на рис.83в. Фазовый состав сплава Ф+Ц.

№ 17. По диаграмме Fe—Fe₃C в структурах сплавов, имеющих С>2,14% имеется ледебурит. В чем различие ледебурита при температурах 1) выше 727°С и 2) ниже 727°С? Ответ: 1) различия нет (с. 216); 2) различие в фазовом соста­ве (с. 215); 3) при t>727°С ледебурит состоит из аустенита и цементита, при t<727° — из перлита и цементита (с. 215).

Сопоставляя структуры типичных железоуглеродистых сплавов, рис. 82 и 83 их можно разделить на две группы:

1) сплавы с содержанием углерода до 2,14% С не имеют в структуре эвтектики-ледебурита;

2) у сплавов с содержанием углерода выше 2,14% в структуре имеется ледебуритная структурная составляющая.

Отсутствие в структуре сплавов с содержанием углерода меньше 2,14% С хрупкой эвтектики делает сплавы ковкими и пластичными, что является характерной особенностью сталей. В то же время наличие легкоплавкого ледебурита в структуре сплавов с содержанием углерода выше 2,14% С повышает литейные свойства этих сплавов. Такие сплавы называются чугунами.

В соответствии с диаграммой Fe—Fe₃C железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода меньше 2,14% называются сталями, сплавы с содержанием углерода больше 2,14% — чугунами. Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой Fe—Fe₃C, отличаются высокой хрупкостью. Цвет излома их серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами (в отличие от серых, ковких и высокопрочных чугунов в структуре которых углерод в основном находится в виде графитовой фазы). Как видно из диаграммы Fe—Fe₃C фазовый состав сталей и чугунов при нормальной температуре один и тот же (Ф+Д). Однако свойства сплавов очень сильно различаются. Отсюда можно сделать вывод, что основным фактором, определяющим свойства сплавов железо-углерод, является их структура.

По количеству углерода и по структуре стали подразделяются на: 1) доэвтектоидные 0,02% <С<0,8%, со структурой перлит + феррит (П+Ф); 2) эвтектоидные С=0,8%, структура перлит (П); 3) заэвтектоидные 0,8%<С<2,14%, структура перлит + вторичный цементит (П+Ц_II). Типичные структуры сталей приведены на рис. 82.

По количеству углерода и по структуре белые чугуны подразделяются на: 1) доэвтектические 2,14% <С< 4,3%, структура ледебурит + перлит + вторичный цементит (П+Л+ Ц_II); 2) эвтектические С = 4,3%, структура ледебурит (Л); 3) заэвтектические 4,3% <С<6,67%, структура ледебурит + цементит (Л+Ц). Типичные структуры белых чугунов приведены на рис. 83.