Тема 14.2. Кристаллизация и превращения в твердом состоянии в железоуглеродистых сплавах различного состава

Превращения в сплавах системы Fe – Fе₃С происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии (рис. 14.2).

Рис. 14.2. Диаграмма состояния «Железо-цементит»: внизу под диаграммой – обозначения структур сплавов с различным содержанием углерода при нормальных температурах

Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECFD). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (вертикальная линия DFKQ). Выделяющийся из расплава цементит называют первичным, из аустенита – вторичным, из феррита – третичным. Соответственно на диаграмме состояния CD – линия выделения первичного цементита, ES – линия выделения вторичного цементита (принято критические точки, соответствующие линии ES,обозначать Асm); PQ – линия выделения третичного цементита. В системе Fe – Fе₃С происходят три изотермических превращения:

• перитектическое превращение на линии HJB (1499°С):

ФН + ЖВ ⇄ АJ ; (14.1)

• эвтектическое превращение на линии ECF (1147°С):

ЖС⇄ АЕ + Ц; (14.2)

• эвтектоидное превращение на линии PSK (727°С):

АS ⇄ ФP + Ц. (14.3)

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом, эвтектоидная смесь феррита и цементита − перлитом. Эвтектоид − перлит (0,8 % С) и эвтектику – ледебурит (4,3 % С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей: σв = 800...900 МПа; σ0,2 = 450 МПа; δ ≤ 16 %; твердость 180...220 НВ. При охлаждении ледебурита до температур ниже линии РSK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при 20 − 25°С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита (превращенный ледебурит). В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (> 600 НВ) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

Техническое железо, стали, белые и серые чугуны. Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы: стали, содержащие от 0,02 до 2,14 % С и чугуны, содержащие выше 2,14 % С. Различают доэвтектоидные стали, расположенные по составу левее точки S диаграммы, т. е. между точками Р и S, и заэвтектоидные стали, находящиеся правее точки S, т. е. между точками S и Е диаграммы. Сплав железо − углерод, отвечающей точке S, называется эвтектоидной сталью. Чугун может быть доэвтектическим, расположенным по составу между точками Е и С диаграммы, и заэвтектическим, лежащим по составу между точками С и F диаграммы. Отметим, что на практике содержание углерода в заэвтектических чугунах обычно не превышает 5 %. Чугун, состав которого отвечает составу точки С, называется эвтектическим.

Структура чугунов может формироваться как по метастабильной, так и по стабильной диаграмме железо − углерод, Чугуны, структура которых образуется по метастабильной диаграмме Fe – С, называют белыми чугунами, а чугуны, кристаллизующиеся по стабильному варианту диаграммы Fe – С, − серыми чугунами. Эти названия чугуны получили по виду излома. Излом белых чугунов блестящий, кристаллический, а у серых чугунов − матовый, что обусловлено наличием в их структуре графита.

Превращения при охлаждении и структура сталей. Из диаграммы Fe– Fе₃С (рис. 14.2) следует, что все стали в результате затвердевания (т.е. непосредственно ниже линии солидус NJBE) приобретают однофазную аустенитную структуру (А).

Видно также, что при дальнейшем охлаждении они пересекают ряд линий диаграммы, значит, в них происходят превращения в твердом состоянии. Эти превращения вызваны явлением полиморфизма железоуглеродистых сплавов (а также уменьшением растворимости С в А (линия ЕS) и Ф (линия PQ) с понижением температуры). Как следует из диаграммы Fe– Fе₃С, эти превращения в сталях заканчиваются на линии PSK (727 ^оС), т.к. ниже этой температуры какие – либо критические линии отсутствуют.

На рис. 14.3 приведены кривые охлаждения сплавов, содер­жащих менее 0,01, 0,02 % С; 0,4; 0,8; 1,7; 3,5; 4,3; 5,5 % С.

В сплавах с содержанием углерода не более 0,006 %С (сплав I рис. 14.3 б) до температуры несколько ниже t₃ (линия GS) аустенит охлаждается без изменения состава. В интервале t₃ – t₄ происходит полиморфное АФ превращение. На стыках и границах зерен аустенита возникают зародыши феррита, которые растут и развиваются за счет атомов аустенитной фазы. Ниже температуры t₄ сплав состоит из однородного -твердого раствора – феррита. При дальнейшем охлаждении никаких превращений не происходит.

Сплавы с содержанием углерода от 0,006 до 0,025 % (сплав II рис. 14.3 в) фактически представляют собой технически чистое железо. Так же как и в предыдущем сплаве в интервале температур t₅ – t₆

Рис. 14.3. «Стальной угол» диаграммы состояния железо-цементит. Вторичная кристаллизация сплавов: а) диаграмма, б), в), г), д), е) кривые охлаждения сплавов

происходит полиморфное АФ превращение. Ниже t₆ в сплаве имеется ферритная фаза. Однако ниже температуры t₇ изменение состава феррита, согласно предельной растворимости углерода в феррите по линии РQ, приводит к образованию третичного цементита. Как правило, третичный цементит располагается по границам ферритных зерен (рис. 14.3 в). При охлаждении цементит выделяется непрерывно, и концентрация углерода в феррите уменьшается по линии РQ, составляя при комнатной температуре < 0,006 % С. Цементит, выделяющийся из феррита, называют третичным цементитом и обозначают Ц_ш. Несмотря на малое количество, расположение его вокруг зерен феррита в виде хрупких оболочек сообщает малоуглеродистому сплаву низкие пластические свойства, т.е. приводит к его охрупчиванию.

Доэвтектоидные стали. Сплавы с содержанием углерода от 0,025 до 0,8 % (сплав III рис. 14.3 г) называются доэвтектоидными сталями. В интервале температур t₈–727 °C идет полиморфное превращение АФ. Состав аустенита меняется по линии GS, а феррита – по линии GP. При 727 °С концентрация углерода в аустените для любого доэвтектоидного сплава равна 0,8 % (точка S) и в феррите – 0,025 % (точка Р). Эвтектоидное превращение происходит при некотором переохлаждении, т.е. ниже 727 °С. В равновесии находятся три фазы: феррит состава точки Р, аустенит состава точки S, цементит. Так как число степеней свободы равно нулю, т.е. имеется нонвариантное равновесие, процесс протекает при постоянном составе фаз. На кривых охлаждения наблюдается температурная остановка. Таким образом, структура доэвтектоидной стали характеризуется избыточными кристаллами феррита и эвтектоидной смесью феррита с цементитом, называемой перлитом. Количественные соотношения феррита и перлита зависят от состава сплава. Чем больше углерода в доэвтектоидной стали, тем больше в структуре ее перлита и, наоборот. При дальнейшем охлаждении в результате изменения растворимости углерода в феррите (соответственно линии РQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре обнаружить его при наличии перлита невозможно.

В эвтектоидной стали с содержанием углерода 0,8 % (сплав IV, рис. 14.3, д) при охлаждении аустенита имеется только одна критическая точка А_s, отвечающая температуре 727 °С. При этой температуре аустенит находится в равновесии с ферритом и цементитом: A_sФ_p+Ц. Эвтектоидный распад аустенита состава точки S (0,8 %С) на феррит состава точки Р (0,025 %С) и цементит происходит при некотором переохлаждении, т.е. ниже 727 °С. Эвтектоидная смесь феррита с цементитом называется перлитом.

Заэвтектоидные стали. Сплавы с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % (сплав V, рис. 14.3, е) называются заэвтектоидными. До температуры t₁₀ (линия ES) аустенит охлаждается без изменения состава. Несколько ниже этой температуры аустенит достигает предельного насыщения углеродом согласно линии растворимости углерода в аустените ЕS. В интервале температур t₁₀ - 727 °C из пересыщенного аустенита выделяется высокоуглеродистая фаза – цементит, который называется вторичным. Состав аустенита меняется по линии ЕS и при температуре 727 °С для всех доэвтектоидных сплавов достигает точки S (0,8 %С). Ниже 727 °С происходит эвтектоидное превращение: аустенит состава точки S (0,8 %С) распадается на смесь феррита состава точки Р (0,025 %С) и цементита. Таким образом, структура заэвтектоидной стали характеризуется зернами перлита и вторичного цементита.

При медленном охлаждении цементит, как правило, располагается в виде тонкой оболочки. В разрезе это выглядит как сетка цементита. Более благоприятной формой цементита является зернистая, она не приводит к значительному снижению пластических свойств стали.

Структуры технического железа (а), доэвтектоидной (б), эвтектоидной (в), заэтвектодной (г) сталей приведены на рис. 14.4.

а	б	в	г

Рис. 15.4. Структура технического железа (а), доэвтектоидной (б),

эвтектоидной (в), заэтвектоидной (г) сталей

Превращения при охлаждении, структура и свойства чугунов. Все превращения в белых чугунах, начиная от затвердевания и до комнатных температур, полностью проходят по метастабильной диаграмме Fe-Fe₃C. Наличие цементита придает излому светлый блестящий цвет, что привело к термину “белый чугун”. Независимо от состава сплава обязательной структурной составляющей белого чугуна является цементитная эвтектика (ледебурит). На рис. 14.5 изображена упрощенная структурная диаграмма равновесия железо-цементит и кривые охлаждения типичных сплавов.

Эвтектический белый чугун. Рассмотрим процессы затвердевания, формирования первичной структуры и дальнейших структурных превращений в твердом состоянии сплава эвтектического состава с 4,3 %С (сплав I рис. 14.5).

Затвердевание происходит в один этап при температуре ниже 1147 °С. Жидкая фаза с 4,3 %С образует эвтектическую структуру: смесь аустенита с 2,14 %С и цементита. Эта эвтектика называется ледебуритом. Как и всякая эвтектическая реакция, отвечающая нонвариантному равновесию, она протекает при постоянной температуре и постоянном составе фаз. При эвтектической реакции, происходящей при переохлаждении чуть ниже 1147 °С, содержание углерода в аустените максимально (2,14 %). Дальнейшее охлаждение от температуры 1147 °С до 727 °С приводит к непрерывному уменьшению в нем содержания углерода согласно линии ограниченной растворимости ЕS. Углерод выделяется из аустенита в виде цементита, который называется вторичным цементитом (Ц_II). Однако он, как правило, не обнаруживается, т.к. присоединяется к эвтектическому цементиту. Ниже температуры 727 °С аустенит эвтектики состава 0,8 %С претерпевает эвтектоидное превращение, т.е. образуется перлит.

Таким образом, ниже 727 С ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита. Такой ледебурит называется превращенным. При охлаждении до комнатной температуры в результате изменения растворимости углерода в феррите (линия РQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре он не обнаруживается. На рис. 14.5 б показана структура белого чугуна эвтектического состава. Она представляет собой одну эвтектику – ледебурит₂. Темные участки (зернышки и пластинки) отвечают перлитным включениям, равномерно распределенным на светлом фоне цементита.

Рис.14.5. Диаграмма состояния “железо-цементит” (а) и кривые охлаждения белых чугунов (б, в, г)

Доэвтектические белые чугуны. Сплавы состава 2,14–4,3 %С называются доэвтектическими белыми чугунами. Рассмотрим процесс кристаллизации и вторичных превращений на примере сплава II 14.5 в. От температуры несколько ниже линии ликвидус АС до 1147 °С из жидкости выделяются кристаллы аустенита. Состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус, стремясь к эвтектическому, а твердой по линии солидус, стремясь к составу точки Е. При температуре 1147 °С концентрация жидкой фазы достигает точки С (4,3 %С), а аустенита – точки Е (2,14 %С). Из жидкости эвтектического состава образуется смесь аустенита и цементита – ледебурит.

Таким образом, ниже эвтектической линии ЕСF структура характеризуется избыточными кристаллами аустенита и эвтектикой (ледебуритом). При охлаждении от 1147 до 727 °С состав аустенита непрерывно меняется по линии ЕS, при этом выделяется цементит вторичный (Ц_II). Вторичный цементит выделяется как из избыточного аустенита, так и из аустенита эвтектики. Однако, если вторичный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, присоединяется к эвтектическому цементиту, то из избыточного аустенита он выделяется в виде оболочек вокруг кристаллов аустенита и представляет собой самостоятельную структурную составляющую.Ниже 727 °С весь аустенит: и избыточный, и тот, который входит в состав эвтектики – претерпевает эвтектоидное превращение, при котором образуется перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура доэвтектического белого чугуна характеризуется следующими структурными составляющими: избыточным перлитом (бывшим аустенитом), ледебуритом превращенным, состоящим из перлита и цементита и цементитом вторичным. Структура реального доэвтектического белого чугуна изображена на рис. 14.5 в. Чем ближе состав сплава к эвтектическому, тем больше в нем эвтектики – ледебурита.

Заэвтектический белый чугун. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % (сплав III, рис. 14.5 г) называются заэвтектическими белыми чугунами. Кристаллизация начинается при температуре t₄ несколько ниже линии СD выпадением цементита, который называется цементитом первичным (Ц_I.). Состав жидкой фазы меняется по линии СD, твердая – остается без изменения. При температуре 1147 °С заканчивается кристаллизация избыточных кристаллов Ц_I. Жидкость состава точки С (4,3 %С) согласно эвтектической реакции образует ледебурит. При дальнейшем охлаждении изменение состава аустенита по линии ЕS приводит к выделению цементита вторичного (Ц_II), который присоединяется к эвтектическому.

Температура 727 °С является температурой эвтектоидного равновесия аустенита, феррита и цементита. При переохлаждении ниже этой температуры аустенит превращается в перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура заэвтектического белого чугуна характеризуется избыточными кристаллами цементита первичного (белые пластины) и превращенным ледебуритом, состоящим из темных полосок или зернышек перлита и светлой основы – цементита. На рис. 14.5 г изображена кривая охлаждения и структура белого заэвтектического чугуна.

Структуры белых чугунов представлены на рис. 14.6.

а б в

Рис.14.6. Струтуры доэвтектических (2,14…4,3 %С), эвтектических (4,3 %С) и заэвтектических чугунов: а – Л+П+Ц_, б – Л и в – Л+Ц_

Наличие легкоплавкой эвтектики (ледебурита) в белых чугунах обеспечивает их высокие литейные свойства. Белые чугуны обладают очень высокой твердостью, но низкими значениями пластичности, ударной вязкости и прочности, что является следствием большого количества цементита в структуре. Поэтому белые чугуны как конструкционные материалы не используются.

На практике в качестве дешевых литейных конструкционных материалов широко применяются серые чугуны.

Серые (литейные) чугуны получают при меньшей скорости кристаллизации, чем белые чугуны, поэтому процесс формирования их структуры описывается стабильной диаграммой состояния железо–углерод (рис. 14.1), где пунктирные линии показывают фазовые равновесия с графитом.

В сером чугуне жидкость состава точки С′ кристаллизуется в виде эвтектики, состоящей из аустенита и графита: L_С′ → γ_Е′ + Г

В доэвтектических серых чугунах (сплавы с содержанием углерода от 2,03 до 4,25 %) первично кристаллизуются дендриты аустенита, а затем – аустенито-графитная эвтектика. В заэвтектических серых чугунах (сплавы с содержанием углерода более 4,25 %) первично кристаллизуется графит. Оставшаяся после первичной кристаллизации графита жидкость затвердевает, как эвтектическая. После завершения кристаллизации в твердом состоянии аустенит изменяет свой состав по линии ES и из него выделяется вторичный графит, осаждающийся на ранее образовавшихся первичных и эвтектических кристаллах графита, что принципиально не изменяет структуры чугуна.

Переохлаждение аустенита состава точки S (0,69 % С) ниже эвтектоидной температуры 738 °С вызывает развитие эвтектоидной реакции с образованием феррито-графитной смеси (эвтектоида – α_P′ + Г): γ_S′ → α_P′ + Г

Феррито-графитная смесь, образующаяся по эвтектоидной реакции, характеризуется более тонким строением по сравнению с эвтектикой. При очень малых степенях переохлаждения эвтектоидный графит может отлагаться на ранее образовавшихся первичных или эвтектических кристаллах графита аналогично вторичному, принципиально не изменяя структуру чугуна. По структуре трудно подразделить серые чугуны на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Серые чугуны подразделяются по микроструктуре металлической основы (ферритной, феррито-перлитной или перлитной) в зависимости от полноты графитизации, которую оценивают по количеству свободного выделившегося (не связанного) углерода.

Принципиальное отличие структуры серых чугунов от белых в том, что углерод в них находится не в химически связанном состоянии (т.е. в виде Fe₃C – цементита), а в свободном – в виде включений графита различной формы.

Уровень механических свойств серых чугунов зависит от двух основных структурных факторов:

1) формы (и количества) графитных включений,

2) структуры металлической основы.

По первому признаку эти сплавы делятся:

1) на собственно серые чугуны (СЧ), в которых графит имеет форму длинных заостренных пластин. Разновидностью этих чугунов являются модифицированные СЧ, в которых пластинки графита мелкие и имеют завихренную форму;

2) высокопрочные чугуны (ВЧ) с шаровидным (глобулярным) графитом;

3) ковкие чугуны (КЧ) с хлопьевидным графитом.

Структура металлической основы любого из этих чугунов может быть одного из трех видов: феррит (Ф), феррит+перлит (Ф+П) и перлит (П).

В табл. 14.1 в качестве примера приведены некоторые марки и механические свойства различных видов серых чугунов.

Очевидно, что механические свойства чугуна данного вида (т.е. с определенной формой графитных включений) определяются структурой металлической основы, т.к. от феррита к перлиту увеличивается содержание углерода, соответственно растут твердость и прочность, падают пластичность и ударная вязкость.

Свойства чугунов с данной структурой металлической основы зависят от формы графитных включений. Наихудшая форма графита в СЧ, т.к. острые концы пластин при нагружении являются очагами зарождения микротрещин. Особо низкий комплекс механических свойств получается, если пластин графита так много и они настолько длинны, что разобщают металлическую основу (матрицу) чугуна (см. табл. 14.1).

Таблица 14.1. Классификация, маркировка и механические свойства

различных видов серых чугунов

Марка чугуна		в, МПа (кгс/мм2)	, %	Структура металличес- кой основы	Форма графитных включений
С е р ы е ч у г у н ы (ГОСТ 1412-85)
СЧ 10		100(10)	0	Ф
СЧ 18		180(18)	0	Ф+П
СЧ 30	модифицированный	300(30)	0	П
СЧ 45		450(45)	0	П
В ы с о к о п р о ч н ы е ч у г у н ы (ГОСТ 7293-85)
ВЧ 38		380(38)	17	Ф
ВЧ 45		450(45)	5	Ф+П
ВЧ 120		1200(120)	2	П
К о в к и е ч у г у н ы (ГОСТ 1215-79)
КЧ 30-6		300(30)	6	Ф
КЧ 45-6		450(45)	6	Ф+П
КЧ 80-1,5		800(80)	1,5	П

По сути любые серые чугуны представляют собой углеродистые доэвтектоидные (Ф+П), эвтектоидные (П) стали или техническое железо (Ф) с включениями графита. Очевидно, что графит уменьшает прочность и пластичность металлической основы. Поэтому чугуны имеют более низкие механические свойства по сравнению с углеродистыми сталями. Однако от сталей они отличаются более высокими литейными свойствами, низкой стоимостью, нечувствительностью к дефектам поверхности, демпфирующими и антифрикционными свойствами.

Итак, в данной теме было показано, как изменяется структура и механические свойства промышленных железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов) в зависимости от содержания углерода.

Вопросы для самоконтроля

1. Укажите характерные критические температуры на диаграмме состояния Fe-Fe₃C и концентрации углерода, соответствующие различным группам сплавов.

2. Охарактеризуйте фазы, присутствующие в углеродистых сталях и белых чугунах. Каковы механические свойства этих фаз?

3. Какова причина наличия двух твердых растворов углерода в железе?

4. Укажите фазы в двухфазных областях диаграммы.

5. Какое превращение формирует окончательную структуру углеродистых сталей?

6. Каковы концентрационные интервалы (по содержанию С) и структуры эвтектоидной, до – и заэвтектоидных сталей?

7. Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в равновесном состоянии; что она собой представляет?

8. Каково содержание углерода в эвтектическом, до - и заэвтектических белых чугунах? Каковы их структуры?

9. Почему белые чугуны не используют в качестве конструкционных материалов?

10. От каких структурных факторов зависят механические свойства серых чугунов?

11. Назовите различные виды серых чугунов. На чем основана эта классификация? Какова маркировка этих сплавов?

12. Опишите структуру наиболее прочного (теоретически) из всех разновидностей серых чугунов.