книги / Основы металловедения и термообработки

О 50 100

В,%

Рис. 47. Схема зависимости свойств сплавов от типа диаграммы состояния: р - удельное электросопротивление; ИВ - твердость

Как показал Н.С. Курнаков, между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния, и свойствами сплава существует определенная зависимость (рис. 47). На при­ веденном примере видно, что с изменением концентрации твер-

(Fe3C). Кроме того, один из компонентов (Fe) претерпевает поли­ морфные превращения при нагреве и охлаждении.

Рис. 48. Диаграмма состояния Fe - Fe3C

Рассмотрим описываемую диаграммой состояния структуру сплавов системы Fe - С, формирующуюся при кристаллизации.

Из диаграммы состояния следует, что с увеличением кон­ центрации углерода температура начала кристаллизации спла­ вов (линия «ликвидус» АВСД) снижается с 1539 °С (чистое Fe) до минимального значения 1147 °С при концентрации углерода 4,3 %, а далее повышается до температуры кристаллизации хи­ мического соединения Fe3C (карбид железа, цементит), обра­ зующегося при концентрации 6,67 % углерода. Линия темпера­ тур окончания кристаллизации сплавов (AECF) называется ли­ нией «солидус»*.

* В диаграмме сплавов системы Fe - С обычно рассматривают сплавы концен­ трации углерода < 6,67 %, имеющие практическое значение.

Сплавы интервала концентраций до 2,14 % углерода кри­ сталлизуются с образованием твердого раствора углерода в ГЦК кристаллической решетке Fey*, называемом аустенитом. Спла­ вы концентраций от 2,14 до 4,3 % углерода кристаллизуются с образованием аустенита при охлаждении до температуры 1147 °С, а заканчивают кристаллизацию при постоянной темпе­ ратуре 1147 °С образованием смеси аустенита и цементита (эв­ тектика - смесь фаз, образующаяся при кристаллизации), на­ зываемой ледебуритом. Сплавы концентраций от 2,14 до 6,67 % С кристаллизуются с образованием кристаллов цементита (первич­ ный цементит) в интервале температур от линии «ликвидус» до 1147 °С и завершением кристаллизации при постоянной темпера­ туре 1147 °С с образованием ледебурита. Сплав эвтектической кон­ центрации (4,3 % С) кристаллизуется при постоянной температуре 1147 °С с образованием только эвтектики - ледебурита.

Как следует из диаграммы состояния сплавов Fe - С, кон­ центрация углерода 2,14 % - это предельная концентрация, при которой в результате кристаллизации не образуется ледебурит, т.е. в структуре сплавов нет карбидов, образовавшихся из жид­ кой фазы. Этот факт качественно разделяет сплавы на стали

(< 2,14 % С) и чугуны (> 2,14 % С). По содержанию углерода и, соответственно, структуре чугуны называют доэвтектическими (< 4,3 % С) и заэвтектическими (> 4,3 % С).

Рассмотрим описываемое диаграммой состояния Fe - С из­ менение структуры стали при охлаждении до комнатной темпе­ ратуры.

При охлаждении стали в твердом состоянии (ниже темпе­ ратуры «солидус») с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается (линия ES, температура Аст), вследствие чего избыточные атомы углерода диффундируют

* При очень малых концентрациях углерода кристаллизуется твердый раствор углерода в ОЦК решетке Fej-5-феррит, существующий только в узком высо­ котемпературном интервале и превращающийся при охлаждении в аустенит.

64

к границам зерен аустенита, где образуется цементит в виде сет­ ки по границам зерен (вторичный цементит).

Наличие углерода в кристаллической решетке Fer (аусте­ нит) повышает ее устойчивость при охлаждении и снижает тем­ пературу превращения Fey-»Fea (критическую точку А3, линия

GS) с 911 °С (чистое железо) до минимального значения 727 °С (критическая точка А\, линия РК) при концентрации углерода 0,8 %. При температуре А\ (727 °С) происходит фазовое пре­ вращение: аустенит распадается на смесь фаз:

феррит (твердый раствор углерода в кристаллической решетке Fea) и цементит (Fe3C). Эту смесь фаз (эвтектоид - смесь фаз, образовавшаяся при распаде твердого раствора) называют пер­ литом. Сталь с концентрацией углерода 0,8 % при температуре ниже А] (727 °С) имеет полностью перлитную структуру и на­ зывается эвтектоидной, перлитной. Структура доэвтектоидных сталей (содержание углерода < 0,8 % С) состоит из участков (зе­ рен) феррита, выделившегося из аустенита при охлаждении в интервале температур А3 - A h и перлита. Структура заэвтетоидной стали (> 0,8 % С) - это перлит в границах прежних аусте­ нитных зерен, окруженных цементитной сеткой, выделившейся из аустенита в интервале температур Аст-А ,.

Растворимость углерода в феррите (максимальная 0,02 %

при 727 °С) при понижении температуры снижается до 0,0001 % при 20 °С, вследствие чего в феррите выделяется третичный це­ ментит, образующийся на границах зерен и субзерен.

Микроструктура стали с различным содержанием углерода приведена на рис. 49. По мере увеличения содержания углерода ферритная структура технического железа (0,06 % С) переходит в феррито-перлитную (доэвтекгоидная сталь), перлитную (0,8 % С,

Наличие в структуре чугунов ледебуритного цементита Fe3C делает излом чугунных отливок блестящим. Это дало по­ вод называть содержащие ледебурит чугуны белыми.

Таким образом, в рассмотренных сплавах системы Fe - С существуют следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы внедрения (аустенит и феррит) и химическое соединение - це­ ментит Fe3C. При температуре ниже 727 °С фазовый состав всех рассмотренных сплавов одинаков - они состоят из феррита и цементита.

Однако при определенных условиях углерод в сплавах сис­ темы Fe - С может находиться не в связанном в карбид Fe3C состоянии (в цементите), а в свободном - в графите.

Процесс образования в чугуне графита называют графитизацией. Графитизацию активирует легирование чугуна кремни­ ем (2,5-3,5 %). Графит образуется в процессе кристаллизации при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохла­ ждения жидкой фазы невелика. Наличие в жидком чугуне час­ тиц включений (Si02, А120 3 и др.) облегчает образование и рост графитных зародышей.

Графитосодержащие чугуны различаются по форме графи­ товых включений, определяющей существенное различие их свойств: серые (литейные), высокопрочные и ковкие.

Графит, образующийся из жидкой фазы, имеет форму ис­ кривленных пластин и лепестков (рис. 51). Такая форма неметал­ лических включений графита делает их опасными концентрато­ рами напряжений при деформации. Серые чугуны используют только в литых заготовках, так как горячая обработка давлением их разрушает. Их принято называть литейными.

Рис. 51. Структура графита: а - включения графита,

выделенные из чугуна; б - микроструктура чугуна,

показывающая выделение графита (шлиф нетравлен) х 100

Основное количество графита в чугунах образуется при кристаллизации жидкой фазы. От степени графитизации, т.е. снижения концентрации углерода в кристаллизующемся аустените, зависит структура металлической основы чугуна при температуре ниже А\ (727 °С). Металлической основой графито­ содержащих чугунов может быть феррит, доэвтектоидная, эвтектоидная и заэвтектоидная стали (рис. 52).

Рис. 52. Микроструктуры чугунов:

а - перлитного; б - феррито-перлитного; в - ферритного, х 300