Классификация сплавов по содержанию углерода и равновесной структуре. Микроструктура сталей и белых чугунов

Равновесное состояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры описывает диаграмма состояния железо - углерод.
Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой (Fe - С), а железоцементитной (Fe - Fе₃С), так как свободного углерода в сплавах не содержится. Но так как содержание углерода пропорционально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.

Компоненты системы железо и углерод - элементы полиморфные. Основной компонент системы - железо.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может образовать химическое соединение - цементит Fе₃С или присутствовать в сплавах в виде графита.

В системе железо-цементит (Fe - Fе₃С) имеются следующие фазы: жидкий раствор. твердые растворы - феррит и аустенит, а также химическое соединение - цементит.

Феррит может иметь две модификации - высоко- и низкотемпературную. Высоко­температурная модификация d-Fe и низкотемпературная - a-Fe представляют собой твердые растворы углерода, соответственно, в d- и a- железе.

Предельное содержание углерода в a-Fe при 723°С -0,02%, а при 20°С - 0,006%.

На диаграмме состояния различают две области: стали и чугуны. Условия принятого разграничения - возможность образования ледебурита (предельная растворимость углерода в аустените):

• стали - до 2,14% С, не содержат ледебурита;

• чугуны - более 2,14% С, содержат ледебурит.

В зависимости от содержания углерода (%) железоуглеродистые сплавы получили следующие названия:

• менее 0,83 - доэвтектоидные стали;

• 0,83 - эвтектоидные стали;

• 0,83...2 - заэвтектоидные стали;

• 2...4,3 - доэвтектические чугуны;

• 4,3...6,67 - заэвтектические чугуны.

Стали классифицируются по множеству признаков.

1. По химическому составу: углеродистые и легированные.
2. По содержанию углерода (см. Влияние углерода на сталь. Влияние углерода на свойства стали.):

· низкоуглеродистые, с содержанием углерода до 0,25 %;

· среднеуглеродистые, с содержанием углерода 0,3…0,6 %;

· высокоуглеродистые, с содержанием углерода выше 0,7 %.

3. По равновесной структуре: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.

4. По качеству. Количественным показателем качества является содержания вредных примесей: серы и фосфора (см. Влияние примесей на свойства. Влияние примесей на свойства сталей. Красноломкость. Флокены.):

· 0,04 ≤ S ≤ 0,06; 0,04 ≤ P ≤ 0,08 – углеродистые стали обыкновенного качества;

· 0,03 ≤ P, S ≤ 0,04 – качественные стали;

· P, S ≤ 0,03 – высококачественные стали.

Микроструктура сталей

По микроструктуре в отожженном состоянии различают:

а) техническое железо, не испытывающее эвтектоидное превращение (до 0,025%С);

б) доэвтектоидные стали (от 0,025 до 0,8%С);

в) эвтектоидные стали (0,8 %С);

г) заэвтектоидные стали (от 0,8 до 2,14%С).
Схемы микроструктуры

а) техническое железо: феррит и третичный цементит по границам зерен;

б) доэвтектоидная сталь: зерна избыточного феррита и перлит;

в) доэвтектоидная сталь: сетка избыточного феррита и перлит;

г) эвтектоидная сталь: перлит;

д) заэвтектоидная сталь: перлит и сетка вторичного цементита.
Белые чугуны

Для микроструктурного анализа белых чугунов используют диаграмму метастабильного равновесия фаз с участием цементита.

По составу различают

доэвтектические (от 2,14 до 4,3% С), эвтектические (4,3%С) и заэвтектические (от 4,3 до 6,67%С) белые чугуны. Эвтектическое превращение в белых чугунах описывается реакцией: Ж4,3—> γ2,14 + FеЗС.
Микроструктуры белых чугунов (схема)

а) доэвтектический, б) эвтектический, в) заэвтектический белый чугуны
11. Диаграмма состояния железо – графит. Классификация и маркировка серых чугунов. Механические свойства серых чугунов в зависимости от структуры и области их применения.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-ГРАФИТ
При сравнительно быстром охлаждении расплава происходит образование цементита в процессе кристаллизации жидкого чугуна. Систему железо-цементит называют метастабильной, т. е. неустойчивой, так как при определенных условиях цементит распадается на аустенит и свободный углерод в виде графита. При очень медленном охлаждении из расплава в процессе его кристаллизации углерод выделяется в виде графита. Систему железо-графит называют стабильной. Процесс кристаллизации графита в сплавах железа с углеродом называют графитизацией. Она может происходить и в твердом состоянии, поскольку цементит при высоких температурах неустойчив. В этом случае графитизация происходит в несколько накладывающихся стадий: 1) распад цементита и растворение атомов углерода в аустените; 2) образование центров графитизации в аустените; 3) диффузия атомов углерода в аустените к центрам графитизации; 4) рост выделений графита.
На рис. 21 показана совмещенная диаграмма: сплошными линиями изображена метастабильная диаграмма железо-цементит, штриховыми линиями - стабильная диаграмма железо-графит. По диаграмме железо-цементит в области чугунов получают белые чугуны, а по диаграмме железо-графит - серые чугуны. На диаграмме железо-графит горизонтальные линии E'C'F' и P'S'K' лежат несколько выше, а наклонные линии CD' и E'S' -. несколько левее соответствующих линий диаграммы железо-цементит.

 

Рис. 21. Диаграмма состояния железо-графит

На диаграмме железо-графит линия ACD' - линия ликвидуса. При охлаждении расплава по ветви АС выделяется аустенит, а по ветви CD' - графит (первичный). На линии солидуса E'C'F' при температуре 1153°С образуется эвтектика, состоящая из графита и аустенита. Ее называют графитной эвтектикой. Линия S'E' показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. При понижении температуры в системе железо-графит из аустенита будет выделяться графит, который называют вторичным.
На линии P'S'K' при температуре 738°С аустенит, содержащий 0,7% С (точка S'), распадается, образуя эвтектоид, состоящий из феррита и графита. Этот эвтектоид называют графитным.
После полного охлаждения структура состоит из феррита и графита (эвтектического, вторичного и эвтектоидного). Различить в микроструктуре графит различного происхождения в большинстве случаев невозможно, поскольку в процессе кристаллизации графит, получающийся при распаде аустенита, не образует самостоятельных выделений, а, наслаиваясь на имеющиеся графитные включения, увеличивает их размеры.

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве. В зависимости от состояния углерода в чугуне, различают:

Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида, и чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, что определяет прочностные свойства сплава, чугуны подразделяют на:

1) серые - пластинчатая или червеобразная форма графита;
2) высокопрочные - шаровидный графит;
3) ковкие - хлопьевидный графит.

Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления δв при растяжении в МПа-10. Серый чугун обозначают буквами "СЧ" (ГОСТ 1412-85), высокопрочный - "ВЧ" (ГОСТ 7293-85), ковкий - "КЧ" (ГОСТ 1215-85).

СЧ10 - серый чугун с пределом прочности при растяжении 100 МПа;
ВЧ70 - высокопрочный чугун с сигма временным при растяжении 700 МПа;
КЧ35 - ковкий чугун с δв растяжением примерно 350 МПа.

Для работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из антифрикционного чугуна АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ - антифрикционный чугун:

С серый, В - высокопрочный, К - ковкий. А цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585-79