3.1.5. Эвтектическое превращение

Сплавы претерпевающие эвтектическую кристаллизацию с образованием ледебурита при температуре 1147 С содержат углерода более 2,14 % и относятся к белым чугунам. Белыми чугуны называются потому, что весь углерод в них находится в связанном состоянии (в виде цементита), и их излом светлый блестящий.

Рассмотрим какие превращения происходят в белых чугунах при их охлаждении от температуры в жидком состоянии до комнатной. На рис. 52 приведена правая часть диаграммы Fe–Fe₃C, соответствующая таким сплавам.

Рис. 52. Часть диаграммы Fe-Fe₃ C (С › 2,14 %) и кривые охлаждения сплавов

Сплав II – эвтектический белый чугун (С = 4,3 %)

Сплав кристаллизуется при температуре 1147 С (точка С) с образованием эвтектики – ледебурита: Ж_4,3 → Л [А_2,14 + Ц _I]. Ледебурит представляет собой механическую смесь кристаллов аустенита с содержанием углерода 2,14 % и кристаллов цементита первичного (т. е. выделяющегося из жидкой фазы).

При дальнейшем охлаждении чугуна в интервале температур 1147 С (точка С) и 727 С (точка 4) ограниченная растворимость углерода в аустените (линия SE) приводит к диффузии его излишков из решетки Fe_ и образованию цементита вторичного. Структура ледебурита изменяется и приобретает вид: Л [А + Ц _I + Ц _II]. При достижении температуры 727 С (точка 4) аустенит обедняется углеродом до 0,8 % (точка S), и этим самым создаются условия для его эвтектоидного превращения. В результате аустенит, находящийся в составе ледебурита, распадается на эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного, и чугун приобретает следующую структуру: Л [П (Ф_0,02 + Ц _II) + Ц _I + Ц _II]. При дальнейшем охлаждении сплава, из-за ограниченной растворимости углерода в феррите из него выделяется цементит третичный, который структурно не выявляется. При окончательном охлаждении структура эвтектического белого чугуна состоит из ледебурита состава: перлит + цементит первичный + цементит вторичный.

Сплав I – доэвтектический белый чугун (2,14 % < С < 4,3 %).

Кристаллизация сплава начинается при температуре, соответствующей точке 1 с выделения из жидкой фазы кристаллов аустенита. При понижении температуры концентрация углерода в расплаве изменяется по линии ликвидус и к моменту окончания кристаллизации (1147 С, точка 2) достигает эвтектического состава (точка С). В результате оставшаяся жидкая фаза претерпевает эвтектическое превращение с образованием ледебурита. Окончательно закристаллизовавшийся сплав будет иметь следующую структуру:

А_2,14 + Л [А_2,14 + Ц _I].

При дальнейшем понижении температуры, ввиду ограниченной растворимости углерода в аустените (линия SE), из него выделяется цементит вторичный. Причем это происходит как в свободных кристаллах аустенита, так и в аустените в составе ледебурита:

А + Ц _II + Л [А + Ц _II + Ц _I].

К температуре 727 С (точка 3) аустенит обедняется углеродом до 0,8 % (точка S), чем создаются условия для эвтектоидного превращения. В результате такого превращения структура чугуна приобретает следующий вид:

П (Ф_0,02 + Ц _II) + Ц _II + Л [П (Ф_0,02 + Ц _II) + Ц _II + Ц _I].

При дальнейшем охлаждении чугуна из феррита выделяется цементит третичный, который структурно не обнаруживается.

Сплав III – заэвтектический белый чугун (4,3 % < С < 6,67 %).

Кристаллизация этого сплава начинается в точке 5 с выделения кристаллов цементита первичного. При последующем охлаждении жидкая фаза обедняется углеродом по линии ликвидус (СД) и к моменту окончания кристаллизации (точка 6) достигает эвтектического состава (4,3 % С, точка С). В результате эвтектического превращения оставшейся жидкости сплав будет состоять из кристаллов цементита первичного и ледебурита:

Ц _I + Л [А_2,14 + Ц _I].

При дальнейшем понижении температуры до окончательного охлаждения чугуна кристаллы цементита первичного никаких превращений не претерпевают, а изменения в структуре ледебурита будут аналогичны изменениям, происходящим в сплавах I и II.

Окончательно структура заэвтектического чугуна будет следующая:

Ц _I + Л [П (Ф_0,02 + Ц _II) + Ц _II + Ц _I].

Микроструктура белых чугунов приведена на рис. 53.

а б в

Рис. 53. Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектического, × 100; б – эвтектического, × 500; в – заэвтектического, × 500

При микроисследовании структур белого чугуна, особенно таких, в которых много ледебурита, различить вторичный и третичный цементит практически не представляется возможным, так как он сливается с эвтектическим цементитом.

Обязательной структурной составляющей белых чугунов является ледебуритная эвтектика, которая отличается большой хрупкостью, а это вызывает хрупкость чугунов. Наиболее хрупок заэвтектический чугун, который кроме ледебурита имеет крупные хрупкие кристаллы первичного цементита.