Материаловедение
Формирование структуры в системе Fe – C
1
В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы делятся на две большие группы:
–сплавы, содержащие менее 2,14%С, в ходе затвердевания которых нет эвтектического превращения, называются сталями.
–сплавы, содержащие более 2,14%С, называются чугунами. При затвердевании в них идет эвтектическое превращение.
стали |
чугуны |
2
До 0,51%С – выделение кристаллов -фазы (феррита) в жидкой фазе.
Составы -фазы и жидкости меняются по АН и АВ. До 0,1%С затвердевание заканчивается образованием -фазы.
0,1…0,51%С – за выделением -фазы следует перитектическая реакция (1493°С), в результате которой появляется -фаза (аустенит) с 0,16%С.
0,1…0,16%С – после затвердевания в избытке остается -фаза. 0,16…0,51%С – жидкая фаза остается в избытке, т.е. затвердевание не заканчивается. При дальнейшем охлаждении из жидкости выпадает -фаза (аустенит). Образованием -фазы затвердевание заканчивается.
0,51…2,14%С – от начала до конца затвердевания из жидкости выпадает - фаза. Состав фаз меняется по линиям ВС и JE.
3
В сплавах, содержащих 2,03…4,25%С (доэвтектические чугуны), при
затвердевании сначала выпадает избыточный аустенит. Эвтектика состоит из А + Гр. По диаграмме аустенит должен содержать 2,03%С, а эвтектика 4,25%С.
Ведущей фазой эвтектики является графит. Он растет в виде крабовидных кристаллов. Каждый из них является
скелетом эвтектической колонии. Аустенит отлагается
по поверхности графитного скелета, формируется
аустенито-графитная эвтектика. Чугун с аустенитно- графитной эвтектикой называется серым.
4
Кристаллизация заэвтектического чугуна
начинается с выделения избыточного графита. Избыточный графит так же имеет
форму крабовидных кристаллов, на которых кристаллизуется эвтектический аустенит.
Эвтектический графит присоединяется к ветвям первичного (избыточного)
графита.
В эвтектическом чугуне затвердевание заключается только в образовании эвтектики. Зарождение колоний в сером чугуне происходит путем образования эвтектического аустенита на ранее выделившихся графитных включениях.
5
Крабовидный графит обычно называют пластинчатым, так как на шлифе ветви такого
графитного включения выглядят как изогнутые пластины. Они действуют на металлическую основу чугуна, как концентраторы напряжений, и понижают его механические свойства.
При введении небольших количеств магния (до 0,1%) в жидкий чугун при кристаллизации возникают сфероидальные включения графита.
Такая обработка жидкого чугуна называется модифицированием, а графит сфероидальной формы – глобулярным. Механические свойства
серого чугуна с глобулярным графитом лучше, чем чугуна с пластинчатым графитом.
6
Каждое включение глобулярного графита состоит из нескольких кристаллитов, растущих во все стороны из одного центра таким образом, что плоскости с плотной упаковкой (гексагонального базиса) располагаются перпендикулярно к радиусам сферолита.
В процессе эвтектического распада аустенит отлагается в виде оболочек на сферолитах графита и изолирует их от жидкой фазы.
7
Если при затвердевании чугуна из жидкой фазы выделяется не графит, а цементит, чугун называется белым.
Выделение цементита происходит при больших скоростях охлаждения чугуна при его затвердевании.
Ниже линии ECF образуется эвтектика, состоящая из аустенита и цементита, которая называется ледебуритом.
Доэвтектический |
Эвтектический |
Заэвтектический |
белый чугун |
белый чугун |
белый чугун |
8
Из-за большого количества цементита белые чугуны тверды
(HB 4500…5500 МПа), хрупки и для изготовления деталей машин почти не используются.
При некоторой средней скорости охлаждения (чаще всего в доэвтектических чугунах сложного состава) после выделения избыточного (первичного)
аустенита наряду с ледебуритом появляется также графитная эвтектика. Чугун с такой структурой называется половинчатым.
Можно отрегулировать состав таким образом, что чугунное изделие сравнительно крупных размеров снаружи затвердеет с образованием структуры белого, а внутри – структуры серого чугуна. Между слоями с различной структурой получается переходный слой со структурой
половинчатого чугуна. Чугунную отливку со слоистой структурой называют
отбеленной.
Отливки из отбеленного чугуна изготовляют в тех случаях, когда нужно, чтобы снаружи изделие было твердым, а внутри достаточно пластичным и в целом хорошо выдерживало ударные нагрузки. В частности, из отбеленного чугуна изготовляют прокатные валки, лемеха плугов, тормозные колодки, вагонные колеса и др. детали, работающие в условиях износа.
9
Формирование структуры при охлаждении
Углеродистая сталь в широком интервале температур состоит из одной только аустенитной фазы. Ей соответствует область NJESG.
При охлаждении стали основным превращением является распад аустенита на две фазы: феррит и цементит, (метастабильное равновесие), или на феррит и графит (стабильное равновесие).
10