7.2.3. Сплавы с содержанием углерода выше 2,14 %

Как уже указывалось, белые чугуны находятся на диаграмме 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 поэтому называются белыми. Белые чугуны подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Сплав VII. Содержание углерода 3 %

При охлаждении доэвтектического чугуна кристаллизация начинается в точке 1 на линии ликвидуса ВС с выделением твердой фазы – аустенита. Он растет в виде дендритов с округлыми ветвями.

Дальнейшее охлаждение приводит к увеличению количества аустенита и к уменьшению количества жидкой фазы, причем содержание углерода в обеих фазах растет (в аустените по линии JЕ, a в жидкой фазе – по линии ВС).

При некоторой промежуточной температуре t₁ количества аустенита (состава точки а) и жидкой фазы (состава точки с) будут находиться в следующем соотношении:

Q_А = bc/ac·100 % ; Q_L = ab/ac·100 %.

По достижении сплавом температуры 1147 °С (точка 2) жидкая фаза, придя в точку С, будет иметь 4,3 % углерода и насыщается одновременно и по отношению к аустениту состава точки Е, и по отношению к цементиту и из него кристаллизуется эвтектика А + Ц, называемая ледебуритом (по имени немецкого металлурга Ледебура). Эвтектическое превращение записывается так:

L_С ⇄ А_Е + Ц.

В результате эвтектического превращения жидкая фаза исчезает и металл затвердевает в виде механической смеси двух фаз: аустенита и цементита.

При дальнейшем понижении температуры аустенит (состава точки Е) не может содержать в себе 2,14 % углерода и поэтому начинает выделять его в виде новых порций цементита.

Следовательно, в интервале температур между точками 2 и 3 (т. е. между 1147 и 727 °С) сплав, все время находясь в двухфазном состоянии, испытывает количественное и качественное изменения. Заключаются они в том, что количество цементита увеличивается, а аустенита – уменьшается, причем содержание углерода в аустените понижается по линии ES. Этот цементит самостоятельной структурной составляющей не является.

Рис. 65. Cхема кристаллизации доэвтектических и заэвтектических сплавов

При некоторой промежуточной температуре t₂ в сплаве будут находиться: аустенит состава точки d и цементит состава точки f.

При достижении сплавом точки 3 аустенит будет иметь химический состав точки S, т. е. в нем будет 0,8 % углерода.

При температуре 727 °С произойдет эвтектоидное превращение аустенита, в результате которого образуется смесь из феррита и цементита. При этом бывшие первичные кристаллы аустенита образуют отдельные перлитные колонии. Аустенит, входящий в состав ледебурита, также распадается на феррит и цементит. Ледебурит, аустенит которого испытал эвтектоидный распад, называется превращенным ледебуритом. В итоге структура доэвтектического белого чугуна состоит из двух смесей  перлита и превращенного ледебурита. Обе эти смеси включают одни и те же фазы (феррит и цементит), но значительно различаются по строению, свойствам и соотношению между ними. Количество цементита в превращенном ледебурите больше, чем в перлите, и твердость соответственно превращенного ледебурита выше твердости перлита. На рис. 66, а приведена структура доэвтектического белого чугуна, которая состоит из темных крупных колоний перлита (образовавшихся в результате распада первичных кристаллов аустенита) и чередующихся включений перлита в светлой цементитной матрице (превращенного ледебурита).

Сплав VIII. Содержание углерода 5,5 %

Этот сплав относится к подгруппе заэвтектических чугунов. При охлаждении такого сплава кристаллизация его начнется в точке 1 на линии ликвидуса СD с выделением твердой фазы  цементита (первичного). При дальнейшем понижении температуры между точками 1 и 2 будет происходить процесс кристаллизации цементита, причем количество его будет увеличиваться, a жидкой фазы – уменьшаться.

Выделение цементита из жидкой фазы приводит, естественно, к обеднению ее (жидкой фазы) углеродом, поэтому состав жидкой фазы изменяется по линии CD от точки 1 к точке С.

Когда сплав охладится до точки 2, т. е. до температуры 1147 °С, жидкая фаза примет состав 4,3 % углерода и при этой постоянной температуре закристаллизуется полностью, образуя механическую смесь из аустенита (состава точки Е) и цементита  ледебурит.

При исчезновении жидкой фазы и появлении одной степени свободы происходит дальнейшее охлаждение сплава.

Как было описано в предыдущем сплаве VII, в интервале температур от точки 2 до точки 3 из аустенита будет выделяться избыточный цементит, количество которого будет увеличиваться, а аустенита уменьшаться.

Когда сплав охладится до точки 3 (температура 727 °С ) аустенит обеднится углеродом до 0,8 % и, как это было описано ранее, распадется на механическую смесь феррита и цементита.

На этом превращении (А₁) заканчиваются все процессы превращения в сплаве (если пренебречь изменениями по линии PQ при дальнейшем охлаждении от точки 3 до точки 4).

В итоге структура заэвтектического белого чугуна состоит из первичного (избыточного) цементита и превращенного ледебурита. Типичная структура заэвтектического белого чугуна представлена на рис. 66, б. Первичный цементит в структуре такого чугуна имеет вид крупных пластин, окруженных ледебуритной эвтектикой. С увеличением содержания углерода в заэвтектическом белом чугуне количество цементита увеличивается, а доля превращенного ледебурита уменьшается.

а б

Рис. 66. Микроструктура доэвтектического (а) и заэвтектического (б) белых чугунов