Зависимость механических свойств стали от содержания углерода

 

Структура углеродистой стали после охлаждения состоит из двух фаз – феррита и цементита. Количество цементита в структуре стали, например в сплаве 5 (рис 3), определяется соотношением

Из этого соотношения видно, что с увеличением содержания углерода в стали будет возрастать количество цементита в структуре стали.

 

Контрольные вопросы

1. Что изучается с помощью микроанализа?

2. Как определяется увеличение микроскопа МИМ-7.

3. Перечислить основные операции при подготовке микрошлифа.

4. Для чего используются протравленные и непротравленные шлифы?

5. Что понимается под равновесным состоянием сплава?

6. Перечислить и дать характеристику твердых растворов системы железо-углерод.

7. Дать характеристику эвтектоидной и эвтектической смесей в системе железо-углерод.

 

8. Что такое перлит и ледебурит? При каких условиях они образуются?

9. Какие фазы наблюдаются при температуре, соответствующей линиям РSК, ЕСF, PQ, ЕS ?

10. Сколько углерода содержит каждая из фаз, присутствующая при температуре 723°С (линии РSК) и 1130°С (линия ЕСF) ?

11. Применить правило отрезков в двухфазных областях диаграммы железо-углерод и построить кривую охлаждения для одного сплава.

12. Применить правило фаз Гиббса в критических точках диаграммы железо-углерод.

13. Зарисовать структуру стали 40, У10, У8 и технически чистого железа.

14. Как определить марку доэвтектоидной стали по структуре ?

5.ЧУГУНЫ

5.1. СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ЧУГУНОВ

Чугуны – сплавы железа с углеродом и с другими элементами с содержанием углерода более 2%.

2 4,3

Процессы кристаллизации и структурообразования в чугунах отражает подсистема диаграммы железо-углерод, которая изображена на рис. 5.1.

m t n k t

.

Рис.5.1 Часть диаграммы железо-углерод, отображающая структуры чугунов.

 

Белые чугуны

Белые чугуны образуются при быстром охлаждении и их структура описывается метастабильной диаграммой.

Структура белых чугунов зависит от содержания углерода и они классифицируются по структуре и содержанию углерода следующим образом: чугуны с содержанием углерода до 4,3% (левее точки С) называются доэвтектическими, с содержанием углерода 4,3% (точка С) – эвтектическими, с содержанием углерода более 4,3% (правее точки С) – заэвтектическими.

 

Эвтектический белый чугун. Сплав 2.

 

В точке С при постоянной температуре 1130°С происходит кристаллизация жидкости по реакции Жс®А_Е +Ц_F. Образующаяся смесь аустенита и цементита называется ледебуритом и представляет собою пластины цементита со столбиками аустенита в них. После окончания кристаллизации сплав будет охлаждаться далее. Содержание углерода в столбиках аустенита при охлаждении будет уменьшаться по линии SЕ. На линии PSK аустенит будет содержать 0,8% (т.S) и распадается на перлит.

Ниже линии РSК ледебурит будет состоять из пластин цементита и столбиков перлита в них. Пример структуры ледебурита изображен на рис. 5.2.

 

Рис.5.2 Микроструктура ледебурита (а) и ее схематическое изображение (б)

 

Доэвтектический белый чугун (сплав 1).

Чуть ниже линии АС (рис.5.2) в жидкости возникают и растут зародыши аустенита. При произвольной температуре t состав аустенита определяется проекцией точки m, а жидкости – точки n на ось концентраций, то есть состав аустенита в процессе кристаллизации изменяется по линии солидус АЕ, а состав жидкости – по линии ликвидус АС. Количество аустенита и жидкости при температуре t определяется, как и . На линии ЕСF происходит кристаллизация ледебурита также как в сплаве 2. После окончания кристаллизации ледебурита сплав I состоит из зерен аустенита состава точки Е и ледебурита. При дальнейшем охлаждении сплава содержание углерода в зернах аустенита уменьшается по линии SЕ и углерод, выходящий на поверхность его зерен образует слой вторичного цементита. На линии РSК в аустените останется 0,8% С и аустенит распадется на перлит. Превращения в ледебурите при охлаждении сплава I полностью совпадают с превращениями в сплаве 2. После окончания перлитного превращения сплав 2 охлаждается до комнатной температуры и структура доэвтектического сплава I состоит из перлита +цементита вторичного +ледебурита и имеет вид, изображенный на рис.5.3.

Ж

А

Рис.5.3 Микроструктура белого доэвтектического чугуна и ее схематическое изображение

 

Заэвтектический белый чугун. Сплав 3.

ЦI

Ниже линии СД (рис.3.1) в сплаве будет происходить кристаллизация цементита первичного в виде пластин. При произвольной температуре t состав жидкости определяется проекцией точки k на ось концентрации, то есть состав жидкости изменяется по линии ликвидус СД. Количество жидкости и цементита первичного при температуре и . На линии ЕСF происходит кристаллизация ледебурита как и в эвтектическом сплаве 2. Все

дальнейшие превращения в ледебурите будут аналогичны превращениям в эвтектическом сплаве 2 и конечная структура заэвтектического сплава 3 состоит из цементита первичного и ледебурита и изображена на рис.5.4

Рис.5.4 Микроструктура белого заэвтектического чугуна и ее схематическое изображение

 

Применение белых чугунов

В своей структуре белые чугуны содержат большое количество цементита, обладающего высокой твердостью, прочностью, хрупкостью и имеющего белый цвет, чем и обусловлен цвет и название белых чугунов. Так, например, в сплаве 3 при комнатной температуре количество цементита в структуре равно . Из-за большого количества цементита в своей структуре белые чугуны обладают высокой твердостью, износостойкостью, хрупкостью и поддаются обработке резанием только сверхтвердыми сплавами. Белые чугуны применяют в основном в виде слоя отбеленного чугуна на поверхности изделия, внутри которых кристаллизуется серый чугун вследствии замедления охлаждения, например, прокатные валки. Такие изделия имеют твердую износостойкую поверхность и более пластичную, вязкую сердцевину.

Белый доэвтектический чугун также используется в виде заготовок среднего литья, отжигаемых впоследствии на ковкий чугун.

 

Серые чугуны

 

В серых чугунах часть углерода находится в свободном состоянии в виде стабильной фазы-графита и поэтому в серых чугунах кристаллизация и структурообразование происходят при медленном охлаждении по стабильной диаграмме железо-углерод. (рис. 3.5)

 

 

	D|

	Ж Ж+А Ж+Г
		А+Г     Ф+Г Ф+П+Г П+Г

 

Рис 5.5. Часть стабильной диаграммы сплавов Fе – С, отражающая процессы кристаллизации и структурообразования в серых чугунах.

 

Ниже линии АС¢ в жидкости происходит кристаллизация аустенита , причем содержание углерода в жидкости изменяется по линии АС¢, а в аустените - по линии АЕ¢. И когда сплав I охладится до линии Е¢С¢F¢ оставшаяся жидкость будет иметь состав С¢.

В сплаве 3 при медленном охлаждении ниже линии С¢Д¢ в жидкости будет происходить кристаллизация графита в виде столбиков. Из-за различной плотности графита и жидкости столбики графита будут всплывать в верхнюю часть отливки и поэтому в структуре не наблюдается. Содержание углерода в жидкости будет изменятся по линии С¢Д¢ и когда сплав 3 охладится до линии Е¢С¢F¢ жидкость будет иметь состав точки С¢.

Таким образом, независимо от содержания углерода, жидкость на линии Е¢С¢F¢ будет иметь состав точки С¢.

При медленном охлаждении, немного ниже линии Е¢С¢F¢ при постоянной температуре в жидкости происходит совместная

кристаллизация аустенита и графита по реакции

Графитовые включения кристаллизуются в виде розеток с тремя, четырьмя искривленными лепестками.

После окончания процесса кристаллизации А_Е¢ и Г сплав будет охлаждаться далее, растворимость углерода в аустените уменьшается по линии Е¢S¢ , лишний углерод уходит из аустенита на ранее образовавшиеся графитные включения, наслаиваясь на них и увеличивая их размеры. При охлаждении сплава до линии Р¢S¢К¢ содержание углерода уменьшится до 0,7% (т.S¢)

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5.6. Микроструктура серого чугуна с крупнопластинчатым графитом и ее условная зарисовка; а – на ферритной основе, б – на феррито-перлитной основе, в – на перлитной основе.

 

При очень малой скорости охлаждения или даже выдержки в интервале температур 738…723°С произойдет полное превращение аустенита в феррит и получится ферритная металлическая основа с графитными включениями, то есть структура феррит+графит (рис. 5.6а) – серый чугун на ферритной основе, имеющий низкие механические свойства – малую выносливость и хрупкость.

При большей, промежуточной, скорости охлаждения часть аустенита, находящегося около графитных включений при охлаждении в интервале температур между линиями Р¢S¢К¢ и РSК, превратится в феррит, а оставшаяся часть аустенита, находящаяся дальше от графитовых включений, переохладится ниже линии РSК и распадется на перлит. Получится серый чугун на феррито-перлитной основе с графитовыми включениями (рис.5.6б), имеющий небольшие, но более высокие, чем предыдущий сплав, механические свойства.

При большой скорости охлаждения превращение аустенита в феррит в интервале температур между линиями Р¢S¢К¢ и РSК произойти не успеет, аустенит переохладится ниже линии РSК, распадется на перлит и получится перлитная металлическая основа с графитными включениями, то есть структура перлит+графит (рис.5.6в). Это наилучший вид литейного серого чугуна, который может быть использован также как антифрикционный сплав для подшипников скольжения. Таким образом, при кристаллизации и структурообразовании серых чугунов независимо от содержания углерода в сером чугуне получаются структуры, изображенные на рис. 3.6, из анализа которых можно сделать вывод о том, что металлическая основа серых чугунов похожа на структуру технического железа, доэвтектоидной и эвтектоидной стали и , следовательно, серые чугуны можно рассматривать, как стали с графитными включениями.

Серые чугуны классифицируются по типу металлической основы: на ферритные, феррито-перлитные, перлитные и по форме графитовых включений: серые чугуны с крупнопластинчатым графитом, серые чугуны с мелкопластинчатым графитом, высокопрочные чугуны с шаровидным графитом и ковкие чугуны с хлопьевидным графитом.

 

 

Влияние примесей на кристаллизацию и структурообразование чугунов

 

Кремний обязательно присутствует в чугунах и оказывает большое влияние на структуру и свойства чугунов. Кремний приводит к уменьшению растворимости углерода в аустените и смещению точек Е¢ и С¢ на диаграмме влево тем сильнее, чем больше его содержание. Смещение эвтектической точки С¢ влево при наличии кремния приводит к тому, что доэвтектический чугун становится заэвтектическим и при охлаждении жидкости в нем начнется кристаллизация не аустенита, а графита. Если проводить модифицирование серого чугуна мелко раздробленным ферросицилием, его частицы, растворяясь локально обогащают расплав кремнием. Это приводит к появлению большого числа более мелких графитных включений в структуре чугуна, то есть получается его структура с мелкопластинчатым графитом. Такой чугун обладает прочностью в 1,5…2 раза выше прочности чугуна с крупнопластинчатым графитом. Обычно содержание кремния в чугунах колеблется в пределах 1,2…3,5%. Серые чугуны с крупнопластинчатым графитом и с мелкопластинчатым графитом называют собственно серыми и маркируют буквами СЧ, затем следует число, которое показывает среднее значение временного сопротивления s_в при растяжении (кгс/мм²)

Например СЧ18 – серый чугун s_в=18 кгс/мм²

Высокопрочный чугун.

Для повышения прочности чугуна в него вводят небольшие добавки щелочных или щелочноземельных металлов, чаще всего магния, при концентрации 0,03…0,07%. Пары магния, обрабатывая расплав, способствуют кристаллизации графита в виде шариков, и получается чугун с шаровидным графитом. Шаровидные графитные включения имеют минимальную поверхность раздела с металлической матрицей и не являются такими сильными концентраторами напряжений, как графитные включения в виде крупных и мелких пластин. Это обстоятельство, а так же то, что магний, растворяясь в зернах и на их границах, изменяет металл как легирующий элемент, приводит к повышению прочности чугуна, благодаря чему он и получил свое название высокопрочный чугун (рис. 5.7).

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ, затем следуют числа. Первые числа показывают среднее значение временного сопротивления s_в при растяжении (кгс/мм²), второе – относительное удлинение d (%), например, ВЧ 100-4 – высокопрочный чугун, s_в= 100 кгс/мм² , d=4%.

а     б   в

 

Рис.5.7. Микроструктура высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и ее условная зарисовка. а – на ферритной основе, б – на феррито-перлитной основе, в – на перлитной основе.

 

Ковкий чугун

 

Ковкий чугун получают из белого доэвтектического чугуна с содержанием углерода 2,5…3% и кремния 0,8…1,6% путем длительного (около 100 часов) графитизирующего отжига при температуре около 900-1000°

Цементит является метастабильной фазой и при высокой температуре, в процессе выдержки, распадается на стабильные фазы аустенит и графит, который выделяется в виде комков и под микроскопом имеет хлопьевидную форму, т.е. получается ковкий чугун с хлопьевидным графитом (рис.5.8).

По прочности ковкие чугуны занимают промежуточное положение между чугунами с мелкопластинчатым графитом и высокопрочными чугунами.

 

Структура ковкого чугуна и его схематическое изображение приведена на рис. 5.8

 

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ, затем следуют числа. Первое число показывает среднее значение временного сопротивление s_в при растяжении (кгс/мм²), второе – относительное удлинение d (%), например, КЧ 50-4 – ковкий чугун, s_в=50 кгс/мм² , d=4%.

 

а     б   в

 

Рис.5.8. Микроструктура ковкого чугуна с хлопьевидным графитом и ее условная зарисовка. а – на ферритной основе, б – на феррито-перлитной основе, в – на перлитной основе.