Диаграмма состояния железо – цементит

 

Структура и свойства важнейших для техники сплавов железа и углерода, к которым относятся стали и чугуны, определяются в основном свойствами этих компонентов. На свойства стали и чу­гуна оказывают также влияние всегда присутствующие в них крем­ний, марганец, сера, фосфор, а также газы — кислород, азот, водород и др. Однако условно сплавы Fе — С относят к двухкомпонентным, так как наличие указанных примесей не оказывает существенного влияния на положение критических точек и харак­тер линий диаграммы состояния Fе—С. Эта диаграмма, являющая­ся сложным сочетанием диаграмм I, III, IV типов, дает возмож­ность видеть все изменения строения сплавов в зависимости от изменения температуры и концентрации компонентов, которые образуют разные структуры.

В твердом состоянии железо существует в двух аллотропных формах — α и γ. Обе модификации железа ра­створяют углерод, образуя твердые растворы внедрения. Угле­род в сплавах с железом присутствует либо в виде графита, либо в качестве химического соединения Fе₃С (данный карбид железа в сплавах носит название «цементит»). В определенных условиях хи­мическое соединение (цементит) может не образовываться, что зависит от содержания примесей (Si, Мn и др.), а также от скоро­сти охлаждения слитков или отливок. Тогда углерод выделяется в сплавах в виде графита. Таким образом, ординаты диаграммы со­ответствуют чистым компонентам сплава (железо и цементит), а между ними располагаются точки, соответствующие разным ком­бинациям в сплаве железа с углеродом от 0 до 6,67 %. При этом в сплавах могут образовываться следующие структурные составля­ющие: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит и др.

Феррит — твердый раствор внедрения углерода в α -железе. Это почти чистое железо, так как растворимость углерода в железе чрезвычайно мала (0,006...0,03 %). Феррит устойчив до темпера­туры 911°С, имеет очень небольшие твердость и прочность, но высокую пластичность, поэтому хорошо деформируется в холод­ном состоянии (штампуется, прокатывается, протягивается). Чем больше феррита в железоуглеродистом сплаве, тем сплав плас­тичнее.

Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в γ -железе. Предельная растворимость углерода в железе — 2,14 %. Характерная особенность аустенита в том, что он может существовать в железо­углеродистых сплавах только при высоких температурах (от 1539 до 727°С). Аустенит по пластичности соизмерим с ферритом, но по твердости превосходит его примерно в 2 раза.

Цементит — химическое соединение железа с углеродом (кар­бид железа Fе₃С), имеющее сложную кристаллическую решетку. Температура плавления цементита около 1600 °С. Содержание уг­лерода в цементите составляет 6,67 %, и это самая твердая и хруп­кая структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Це­ментит имеет высокую твердость и не обладает пластичностью. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем они тверже и более хрупки.

При определенных условиях цементит может распадаться на феррит и свободный углерод (графит).

Перлит — механическая смесь феррита и цементита, подразде­ляется на пластинчатый и зернистый в зависимости от формы кристаллов цементита, имеющих вид соответственно либо плас­тинок, либо округлых мелких зерен. Такую смесь называют эвтектоидной, так как она хотя и подобна эвтектической, но обра­зовалась в отличие от нее не при кристаллизации, а в процессе распада твердого раствора.

По механическим свойствам перлит занимает промежуточное положение между ферритом и цементитом. При травлении шли­фов сталей и чугунов с большим содержанием перлита в структуре их поверхность имеет вид перламутра, что и явилось основанием для его названия.

Рис.7.1. упрощённая диаграмма состояния сплавов железо—углерод (цементит)

ACD – линия ликвидуса; AECF – линия солидуса; GSE и PSK - линии перехода α-железа в γ-железо при нагреве; QPG – область однофазной ферритной структуры

 

Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита. Тем­пература образования ледебурита 1147°С. Он может существовать до температуры 727°С, ниже этой температуры аустенит распада­ется на перлит и цементит.

Диаграмма состояния сплавов Fе —С в диапазоне концентра­ций от чистого железа до цементита представлена на рис. 7.1. По вертикальной оси диаграммы отложены значения температу­ры, а по горизонтали — процентное содержание углерода в спла­вах. Обычно указываются две шкалы: одна — доля углерода от 0 до 6,67 %, где 6,67 — наибольшее содержание углерода, соответ­ствующее его содержанию в цементите (Fе₃С), а другая — содер­жание Fе₃С в сплаве (от 0 до 100 %).

Все сплавы на диаграмме в зависимости от содержания углеро­да подразделяют на две группы^: сплавы с 0...2,14% С образуют класс ковких железоуглеродистых сплавов — стали, а сплавы с 2,14...6,67 % С имеют более хрупкую структуру и образуют группу чугунов. Сплавы с еще большим содержанием углерода (выше 6,67 %) практического применения не находят из-за высокой хруп­кости и малой прочности.

Линии диаграммы определяют превращения в структуре и свой­ствах сплавов, происходящие при изменении температуры. Чистое железо плавится и затвердевает при постоянной температуре 1539°С, все остальные сплавы железа с углеродом плавятся (затвердевают) и испытывают превращения структуры в некотором интервале температур.

Рассматривая эти превращения, можно выделить два их типа: превращение структуры сплавов при переходе из жидкого состо­яния в твердое (первичная кристаллизация) и превращения в твердом состоянии (вторичная кристаллизация).

Первичная кристаллизация для всех сплавов начинается при снижении температуры по линии ликвидуса АСD (см. рис. 7.1). При этом сплавы, содержащие 0...4,3 % С, начинают затверде­вать по линии АС с выделением зерен аустенита, а сплавы с со­держанием углерода выше 4,3 % затвердевают по линии CD вы­деляя зерна цементита, называемого первичным. В точке С при температуре 1147°С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава кристаллизуется одновременно аустенит и первичный цементит, образуется эвтектическая смесь — ледебурит, который присутствует во всех сплавах, относящихся к чугунам.

Кристаллизация сплавов заканчивается по линии солидуса АЕСF. При температурах, соответствующих линии АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % полностью затвердевают со струк­турой аустенита. По линии солидуса ЕС заканчивается затвердева­ние сплавов, содержащих 2,14...4,3 % углерода. В точке С при тем­пературе 1147°С и 4,3 % С происходит одновременная кристал­лизация аустенита и цементита в виде тонкой механической смеси — ледебурита. Но поскольку при более высоких температурах из жид­кого сплава шло выделение аустенита, в этих сплавах после за­твердевания сформируется структура аустенит + ледебурит + Fе₃С вторичный. По линии солидуса СF сплавы с содержанием углерода 4,3...б,67 % затвердевают также с образованием ледебурита, но выделившийся при более высоких температурах цементит создает окончательную структуру первичный цементит + ледебурит.

Дальнейшие изменения структуры сплавов происходят при понижении температуры в твердом состоянии, т. е. при вторичной кристаллизации.

Вторичная кристаллизация в сплаве железо—углерод связана с аллотропным превращением γ -железа в α -железо и характери­зуется линиями диаграммы GSEF и РSК.

Линия СS показывает начало превращения аустенита в фер­рит, поэтому в области СSР будет структура аустенит + феррит. Критические точки, лежащие на линии GS, обозначаются либо Ас₃ при нагреве, либо Аr₃ при охлаждении

.Линия SЕ показывает снижение растворимости углерода в же­лезе с понижением температуры. Критические точки на этой линии обозначают Ас_т. Если в точке E при температуре 1147°С раствори­мость углерода максимальная и достигает 2,14 %, то в точке S при 727°С растворимость углерода составляет всего 0,8 %. Следовательно, во всех сталях в интервале концентраций углерода 0,8...2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод, который, соединяясь с железом, образует цементит, называемый вторичным, а сталь имеет структуру аустенит + цементит вторичный.

Точка S является концом равновесного существования аусте­нита и называется эвтектоидной точкой. Она делит все стали на две типичные группы: левее точки S находятся доэвтектоидные стали со структурой феррит + перлит, правее — заэвтектоидные со структурой цементит вторичный + перлит. В точке S сталь со­держит 0,8 % углерода, имеет структуру перлита и называется эв­тектоидной (рис. 7.2)

При охлаждении аустенита с низким содержанием углерода в результате его превращения в феррит в области QPG образуется однофазная ферритная структура.

Для всех сплавов железо — углерод распад аустенита заканчива­ется по линии РSK (727 °С). Критические точки, лежащие на этой линии, обозначаются при нагреве — Ас₁, при охлаждении — Ar₁.

При температурах выше линии РSК чугуны с содержанием уг­лерода 2,14... 4,3 % состоят из аустенита, вторичного цементита и ледебурита, а при температурах ниже линии РSК аустенит перехо­дит в перлит, и структура чугунов будет содержать перлит + цемен­тит вторичный + ледебурит. Чугуны с указанным содержанием уг­лерода образуют группу доэвтектических чугунов.

 

Рис. 7.2. Микроструктура стали (а, б, в) и белого чугуна (г, д, е)

а – доэвтектоидная сталь – феррит (светлые участки, × 500; б—эвтектоидная сталь – перлит, ×1000; в – заэвтектоидная сталь – перлит и цементит в виде сетки, × 2000; г – доэвтектический чугун – перлит (тёмные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), × 500; д – эвтектический чугун – ледебурит (смесь аустенита и цементита), × 500; е – эвтектический чугун –цементит (светлые пластины), × 500

 

Чугун с содержанием углерода 4,3 % имеет структуру ледебу­рита и называется эвтектическим. В заэвтектических чугунах с содержанием 4,3...6,6 7% С при температурах выше линии РSК образуется структура, содержащая ледебурит и первичный цемен­тит. При температурах ниже линии РSК этаструктура сохраняется (см. рис. 7.2, г, д, е).

Итак, рассматривая превращения в железоуглеродистых спла­вах по диаграмме состояния, можно отметить следующие особен­ности:

• точки С и S (см. рис. 7.1) являются характерными точками структурных превращений. Выше точки С находится жидкий ра­створ, а выше точки S — твердый раствор (аустенит);

• в точке С сходятся линии ликвидуса АС и СD, указывающие соответственно на начало выделения кристаллов аустенита и пер­вичного цементита из жидкого раствора (процесс первичной кри­сталлизации); в этой точке образуется эвтектическая механиче­ская смесь — ледебурит;

• в точке S сходятся ветви линии солидуса GS и ЕS, указы­вающие на начало выделения кристаллов феррита и вторичного цементита из твердого раствора (процесс вторичной кристал­лизации) и образование эвтектоидной механической смеси — пер­лита.

 

Вопросы для повторения и закрепления:

1. Что называется первичной кристаллизацией?

2. Каково значение для сплавов имеют линии «солидус» и «ликвидус»?

3. К какой фазе относится цементит и какими свойствами он обладает?

 

ЧУГУН

Классификация и маркировка

Чугуном называют сплавы железа с углеродом с содержанием более 2 % С, точнее — более 2,14 % С (точка Е на диаграмме Fе — Fе₃С, см. рис. 7.1).

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают: белый чугун, в котором практически весь углерод связан в цемен­тит;

серый чугун, в котором практически весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита или часть углерода (большая) находится в виде графита, а часть в связанном состоянии в виде цементита, но количество связанного углерода равно или меньше эвтектоидного; форма графита пластинчатая (рис. 8.1, а);

высокопрочный чугун, то же, что серый чугун, но форма графита шаровидная (рис. 8.1, б);

ковкий чугун, то же, что серый чугун, но форма графита хлопьевидная (рис. 8.1, в).

 

 

Рис. 8.1. Микроструктура чугунов с различной формой графита

а – пластинчатая форма графита (серый чугун); б – шаровидная (высокопрочный чугун); в – хлопьевидная (ковкий чугун);

шлифы нетравленые (× 100)

 

Маркировка серых чугунов. Серые чугуны маркируют буквами СЧ и цифрами, характеризующими прочность чугуна. Например, чугун марки СЧ20 имеет предел прочности а_в == 196 МПа (20 кгс/мм²).

Для получения чугуна стандартных марок регулируют химический состав, условия охлаждения и другие факторы. Отливки изсерого чугуна широко применяют в машиностроении: для станин металлорежущих станков, маховиков, корпусов, поршневых колец, головок блоков двигателей, поршней, гильз автомобильных и

тракторных двигателей, рам и других деталей.

Чугуны с шаровидным графитом (высокопрочные чугуны).

Для получения графита в виде шаровидных включений (рис. 8.1 б) в ковш с жидким чугуном вводят металлический магний в так называемых испарителях, т. е. в металлических или графитовых коробках с отверстиями. Для получения шаровидного графита содержание магния в чугуне должно быть 0,03—0,07 %.

Структура металлической основы чугунов с шаровидным графи­том такая же, как и в обычном сером чугуне.

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ, затем ставят два числа: ВЧ38—17; ВЧ42--12; ВЧ45—5; ВЧ60—2; ВЧ80—3; ВЧ120—4. Первое число показывает предел прочности при растяжении, второе — от­носительное удлинение.

Так, чугун ВЧ38—17 характеризуется пре­делом прочности σ_В > 372 МПА (38 кгс/мм²) и относительным удлинением δ═ 17 %..

Чугуны, модифицированные магнием, имеют более высокие механические свойства, чем обычный серый чугун, и приближаются по, свойствам к стали. Чугуны с шаровидным графитом применяют для самых ответственных деталей, например коленчатых валов, кулачко­вых валиков и др.

Замена стальных деталей литыми из высокопрочного чугуна явля­ется экономически выгодной. Например, при подсчете экономической эффективности замены стального коленчатого вала дизеля чугунным оказалось, что заготовка литого коленчатого вала из высокопрочного чугуна в три раза легче заготовки из легированной стали. Общие за­траты, на изготовление чугунного коленчатого вала в 3,5 раза меньше, чем на изготовление стального.

Ковкий чугун. Ковкий чугун получают в результате длительного отжига белого чугуна. При отжиге происходит распад цементита с образованием графита, т.е. процесс графитизации, и поэтому та­кой отжиг называют графитизирующим. Так как в данном случае графит получается при отжиге и имеет характерную хлопьевидную форму (см. рис. 8.1, в), то его часто называют углеродом отжига.

По составу белый чугун, подвергающийся отжигу на ковкий чу­гун, является доэвтектическим и имеет структуру ледебурит + це­ментит (вторичный) +перлит.

Для получения структуры феррит + углерод отжига в процессе отжига должен быть разложен цементит ледебурита, вторичный цементит и цементит эвтектоидный, т.е. входящий в перлит. Раз­ложение цементита ледебурита и цементита вторичного (частично) происходит па первой стадии графитизации, которую проводят при температуре выше критической (950…1000⁰С); разло­жение эвтектоидного цементита происходит на второй стадии графи­тизации, которую проводят путем выдержки при температуре ниже критической (740..720⁰С), или при медленном охлаждении и интер­вале критических температур (760-720⁰С).

Ферритный ковкий чугун представляет собой конструк­ционный материал—мягкий (НВ< 163), высокой пластичности (δ до 12 %) при удовлетворительной прочности (а_в = 300—370 МПа).

В некоторых случаях, особенно для деталей, работающих на из­нос, требуется ковкий чугун со структурой перлит + феррит +углерод отжига или со структурой перлит + углерод отжига.

Для получения таких структур вторую стадию графитизации проводят не до конца и тогда получают часть перлита неразложив­шимся, или не проводят ее совсем, а из аустенитного состояния ведут охлаждение на воздухе; в этом случае перлит совсем не успевает раз­ложиться.

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ, означающими ковкий чугун, затем два числа: первое число показывает предел прочности при растяжении, второе — относительное удлинение: КЧЗ0—б, КЧ35—10, КЧ45—6, КЧ56—4, КЧ63—2 и др. Например, чугун КЧЗ0—6 обладает пределом прочности σ_в ═294 МПа (30 кгс/мм²⁾ и относительным удлинением δ < 6 %.

 

Вопросы для повторения и закрепления:

1. Какая форма графита преобладает у ковкого чугуна?

2. Как маркируется высокопрочный чугун?

3. Что обозначают буквы и цифры, стоящие в маркировках чугунов?

4. Какие формы графита у высокопрочного и серого чугуна?
9. УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

9.1 Классификация и обозначение

Сталь является основным материалом, широко используемым в машино- и приборостроении, строительстве и для изготовления инструментов.

Сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, структуре и назначению.

По способу производства различают мартеновскую, бессемеров­скую, томассовскую, кислородно-конвертерную, тигельную и элек­тросталь. По характеру футеровки плавильных агрегатов различа­ют сталь основную и кислую.

По химическому составу различают: стали углеродистые и леги­рованные.

Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).

Легированной называют сталь, в состав которой кроме углерода дополнительно вводят элементы для придания ей тех или иных свойств.

По назначению стали делят на конструкционные, инструменталь­ные и с особыми физическими и химическими свойствами — спе­циальные. К последним относят нержавеющие, жаропрочные, жа­ростойкие, теплоустойчивые, электротехнические и др.

Конструкционные стали, в свою очередь, разделяют на строитель­ные и машиностроительные. Строительные стали содержат до 0,3% С; машиностроительные цементируемые — от 0,025 до 0,3% С, улуч­шаемые термообработкой — от 0,3 до 0,5% С, пружинные — от 0,5 до 0,8% С, инструментальные — от 0,7 до 1,3% С.