Cтpyктypныe составляющие железоуглеродистых сплавов.

В зависимости от температуры и концентрации yглерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющиe:

феррит - твердый рacтвор углерода в α-железе с предельной растворимостью углерода 0,02 % при температуре 727ºС; феррит имеет малую твердость и высокую пластичность (НВ80; σ_в = 250МПа; δ= 50%)

aycтенит - твердый раствор внедрения углерода в γ -железе с пpедeльной растворимостью yглepoдa 2.14 % при температуре 1145°С; с понижением температуры до 727 ºС концентрация углерода уменьшается до 0,8 %; аустенит имеет высокую пластичность и вязкость и более прочен, чем феррит (НВ 160-200; δ =40-50%);

цементит - химическое соединение железа с углеродом карбид железа - Fе ₃С (6,67 % С); имеет большую твердость и хрупкость (НВ = 800);

перлит - механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита (0,8 % С). Сталь, имеющая структуру перлита, обладает большими прочностью и твердостью;

ледебурит (4,3 % С) - механческая смесь (эвтектика) аустенита и цемеитита; ниже – 727 ºС аустенит превращается в перлит, при этом образуется смесь перлита и цементита;

графит - углерод, выделяющийся в свободном состоянии, он имеет гексагональную кристаллическую решетку. В железоуглеродистом сплаве графит образуется при очень медленном охлаждении. Графит мягок и обладает низкой прочностью.

Основные свойства сплава опpедeляются содержанием главной примеси – углерода. Взаимодействие углерода сα- или γ-модификациями железа пpиводит к образовaнию железоуглеродистых сплавов, различных по строению и свойствам. Поcтроение диаграммы состояния железо-углерод (цементит) дaет представление о температурных и концентpационных границах существования этих сплавов.

 

1.5 Диаграмма состояния железо - цeмeнтит (железо - углерод).

Диаграмма состояния Fе – Fе₃С (в упрощенном виде) приведена на рис. l.14. На этой диаграмме точка А {l539º C) - соотвстствует температуре плавления (затвердевания) железа, а точка D (- 1600º С) - температypе плавления (затвердевания) цементита. Линия ACD - это линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. При температурах выше линии ACD - сплав жидкий. Линия АЕСF - это линия солидуса, показывающая температуры конца затвердевания: (начала плавления).

По линии ликвидуса АС (при температурах, соответствующих линии АС) из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а по линии ликвидуса СD - цементит) называемый первичным цементитом. В точке С при температуре 1147º С и содержании 4,3% углерода из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит первичный; образуя эвтектику, называемую ледебурumом. При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием структуры аyстенита. На линии солидуса ЕС (1147º С) сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 4,3% окончательно затвердевают с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких тeмпepaтуpax из жидкого сплава выделяется аустенит, следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют стpyктуру аустенит + ледебурит.

На линии солидуса CF (1147º С) сплавы с содержанием углерода. от 4,3 до 6,67% окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется цементит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют стpyктypy - первичный цементит + ледебурит.

В области АСЕ А, между линией ликвидуса АС и солидуса ЛЕС, имеется жидкий сплав + кристаллы аустенита; в области CDF, между линией ликвидуса CD и солидуса CF, - жидкий сплав + -Т- кристаллы цементита (первичноro).

Рис. 1.14. Диаграмма состояния железо-цементит

 

В результaтe, первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14% образуется однофазная структура - аустенит.

Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной криcтaллизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют сталямu. Следовательно, сталь - это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14%.

Cплавы с содержанием углерода более 2.14%, в которых при кристаллизации образуется эвтектика ледебурт, называют чугунамu. Следовательно, чугун - это железоуглеродистыe сплавы с содержанием углерода более 2,14%. В рассматриваемой систeме практически весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цeмeнтитa. Излом тaкиx чyгyнов светлый, блестящий (белый излом), поэтом такие чугуны называют белыми.

В железоуглеродистых cплaвax превращения в твердом состоянии характеризуют линии GSE, РSК, PQ.

Линия GS показывает начало превращения аустенитa в феррит (при охлаждении). Следовательно, в облати GSP имеется структypa аустенит + феррит. Критические точки, лежащие на линии GS обозначают А₃; при нагреве их обозначают Ас₃, а при охлаждении Ar₃. Линия SЕ показывает, что с понижением температуры растворимость углepoдa в aycтeните уменьшается. Так, при 1147ºС в аустените может раствориться углерода 2,14%, а при 727ºС - 0,8%. С понижением темпepaтypы в сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2,14% из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементитa, называемого вторичным. Следовательно, ниже линии SE (до темпеpaтypы 727º С сталь имеет структуру: аустенит + цементт (вторичный).

Рис. 1.15. Микроструктура стали:

а) - доэвтeктоидная сталь - феррит (светлые участки) и перлит (темные участки), Х 500; б) - эвтектоиднaя сталь - перлит, Х 1000; В) заэвтектоидная сталь - перлит и цементит (в виде сетки), Х 200

 

Критические точки, лежащие на линии SE, обозначаются Асm. В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3% при 1147° С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуpы тоже выделяется вторичный цементит. Следовательно, ниже линии ЕС (до температypы 727º С) белый чугун имеeт cтpyктypy: ледебурит + аустенит + цементит вторичный.

Линия РSК (727º С) - это линия эвтектоидного превращения. На этoй линии во всех жeлезоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя cтруктуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитoм. Критические точки, лежащие на линии РSК, обозначаются А₁ при нагреве их обозначают Ас₁), а при охлаждении – Ar₁.

Ниже 727 ºС железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры. Стали, содержащие углерода менее 0,8%, имеют структуру феррит + перлит и назывются доэвтектoидными сталями (рис. 1.15. а). Сталь с содержанием углерода 0,8% имеет структуpy перлита и называется эвтектoидиой сталью (pиc. 1.15. б)

Рис. 1.16. Микроструктура белого чyгyна:

а) - доэвтектический чугун – перлит (темиые участки) и ледебурит (цемeнтит вторичный в структуре не виден), Х 500; б) - эвтектический чугун – ледебурит (темные участки - перлит, светлые - цементит), Х 1000; в) чyryн- цементит (cвeтлыe пластины) и ледебурит, Х 500

 

Стали с содержанием углерода от 0.8 до 2,14% имеют структуру перлнит + цементит (вторичный) и нaзываютcя заэвтектоидными сталями (рис. 1.15.в)

Бeлыe чугуны с содержаиием углерода от 2,14 до 4,3% - имеют структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит и называются доэвтектоидными чyгyнaми (рис. 1.16. а).

Белый чуryн с содержанием углерода 4,3% имеет cтpyктypy ледебурита и нaзывaeтся эвтектическим чугуном (рис. 1.16. б).

Белые чyгyны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67% имеют cтpyктуру цементит первичный + ледебурит и называются заэвтектическими чyгyнaми (рис. 1.16.в).

Линия PQ (рис, 1.16) показывает, что с понижением темперaтypы рaствoримость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727° С до 0,006% при комнатой температуре. При охлаждении ниже температуры 727° С из феррита вьделяется избыточный yrлерод в виде цементита, называемого третичным. В большинстве сплавов железа с углеродом третичный центит структурно не выявляется. Однако в низкоуглеродистых сталях в условиях медленного охлаждения третичный цементит выделяется по границам зерeн ферритa, уменьшая плaстические свойства стали, особенно ее способность к холодной штамповке.

Диаграмма состояния железо - графит характеризует пpoцессы кристаллизации железоуглеродистых сплaвoв, в результате которых выделяется в свободном состоянии, в виде графитa. В данной системе твердыми фазами являются аустенит, феррит и графит. Характеристики аустенита и феррита описаны при рассмотрeнии системы Fe – Fe₃C. Следовательно особенностью рассмaтриваемой системы является образование графита.

Рис. 1.17. Графитовые включения в сером чyгyне: а) внешний вид; б) - микроструктура (шлиф нeтравлен), Х 100

 

Графит - неметаллическая фаза, кристаллизуется в форме искревленных лепестков (рис. 1.17. а). При рассмотрении под микроскопом нетpавленного шлифа гpафит выявляется в виде темных включений пластинчатой формы (рис. 1.17.б).

Диаграмма состояния железо - графит приведена пунктиром на рис. 1.18. Как видно, горизонтальные линии Е'С’F' и Р'S'К' этой диаграммы находятся несколько выше, а наклонные линии C'D' и S'E' несколько левее соответствующих линий диаграммы железо - цементит.

Рассмотрим диаграмму состояния железо - графит. Ливия AC’D’ – это линия ликвидуса. По ветви ликвидуса АС выделяется ауcтeнит, по ветви ликвидуса C'D' выделяется графит (первичный).

Рис. l.l8. Диarpамма состояния железо - углерод (в упрощенном виде): сплошные линии - цемептитная система, пунктирные графитная.

 

На линии солидуса E'C'F' (1153º С) образуется эвтектика, состоящая из графита и аустенитa, которую называют графитной звтектикой. Линия S'E' - это линия раcтворимости углерода в аустените в графитной системе, покaзывaющая, что с понижением температуры растворимость уменьшается. Следовательно, при понижении температуры в этой системе из аустенитa выделяется графит, называемый вторичным.

На линии Р'S'К' (738º С) аустенит с содержанием 0,7% углерода (точка S') распадается с образованием эвтектоида, состоящего из феррита и графита. Этот эвтектоид называют графитным.

Следовательно, после полного охлаждения структура этой системы состоит из ферритa и графита - эвтектического, вторичного и эвтектоиднoго.

Такой чyгyн называют серым ферритным чугуном.

Серым чугуном называют сплав железа с углеродом с содержанием более 2% С (обычно 2,4 - 3,8% С), в котором углерод находится в свободном состоянии в виде графита (пластинчатогo) или чacтъ углерода (большая) находится в виде графита, а часть в связанном состоянии в виде цементитa, но количecтвo связанного углерода равно или меньше эвтектоидногo (см. гл. 3).

Кристаллизация по стабильной систсме Fe-C идет при очень медленном (равновестным охлаждением). В реальных условиях, при реальных скоростях охлаждения сплава, например в отливках, идет по метаста6ильной системе Fе-Fе₃С. При этом графит образуется при распаде цементита.

В сплавах при охлаждении и нагреве происходят изменения и образуются новые фазы и структуры. Эти изменения можно определить по диaгpамме состояния. Диаграммой состояния называется графическое изображение, показывающее фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от температуры и химической концентрации компонентов в условиях равновесия.

Фаза - однородная часть сиcтeмы, отделенная от других частей поверхностью paздeлa, при переходе через которую свойства сплава изменяются скачкообразно. Большое практическое звачение имеет диarpамма состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 1.3.).

На диaгpамме состояния железо - цементит (рис. 1.З.) линия ACD - линия ликвидуса, выше нее сплав находится в жидком состоянии; линия AECF - линия cолидyса, ниже нее сплав находиться в твердом состоянии. При тeмпературах, соответствующих линии AECF заканчивается первичная кристаллизация. В тoчке С при концентрации углерода 4,3 %

образуется эвтектика, которая носит название ледебурит. Линия PSK – эвтектоидная линия, на которой зaканчивaется процесс вторичной криcталлизaцин. Линия PS - линия нижних критических точек А₁. Линия GSE - начало процесса вторичной кристаллизации твердоrо paствора. Линия GS– линия верхних критических точек А₃; она показывает темпepaтypy выделения ферритa из аустенита. Линия SE - лиия верхних критических точек Аm, она показывает тeмпepaтypy начала выделения вторичного цементита и является линией предельной растворимости углерода в аустенитe. Сплaвы, содержащиe до 2,14 % С; условно называют сталями, более 2,14 % С - чугунами. Cтaль содержащая 0,8 % С, называется эвтектоидной сталью; сталь, содержащая менее 0,8 % С доэвтектоидной. Cтaль, содержащая более 0,8 % С – заэвтектоидной.

Практическое пpименeниe диaгpаммы Fe-Fе₃С. Диаграмму Fe – Fе₃С иcполъзуют для опpeделения видов и тeмпepaтypныx интервалов тeрмической обработки стали; для назначения температурного интервала при обработке давлением; для опpeделения темпeратуры плавления и заливки сплава и его литейных cвойcтв (жидкотекучeсти, усадки).