Материаловедение. Ч.1. Лабораторный практикум

оценивают на глаз. Такой метод может показаться слишком грубым. В действительности же он дает хорошие результаты. Если ошибка в оценке FП равна 10%, то абсолютная ошибка

вопределении содержания углерода составляет всего 0,08%.

Встали, содержащей < 0,02% С (такую сталь называют техническим железом), после полного превращения аустенита в феррит (между линиями GS и GP на рис. 3.7), при дальнейшем охлаждении феррит на линии PQ становится насыщенным по отношению к цементиту, выделяющемуся по границам ферритных зерен в виде тонких прожилок (рис. в [2, с. 22]). Такой цементит называют третичным,

вотличие от первичного цементита, кристаллизующегося из расплава по линии ликвидуса CD, и в отличие от вто­ ричного цементита, выделяющегося из аустенита по линии сольвуса ES. В стали состава точки Р содержание третичного цементита максимально и составляет всего около 0,3%.

Взаэвтектоидных сталях (> 0,8% С) по достижении линии ES аустенит становится насыщенным по отношению к цементиту, который при дальнейшем охлаждении стали выделяется в виде тонкой сетки по границам аустенитных зерен. Когда аустенит приобретает эвтектоидный состав (0,8% С), он превращается в перлит. В результате заэвтектоидная сталь содержит две структурные составляющие: вторичный цементит и перлит (на рис. [2, с. 26]).

Чем выше содержание углерода в заэвтектоидной стали, тем больше в ней вторичного цементита. Его доля максимальна в стали состава точки Е (см. рис. 3.7), где по правилу рычага она равна (2,14 – 0,8) / (6,67 – 0,8) · 100 ≈ 23%.

Области составов сталей с разными структурными составляющими показаны на рис. в [2, с. 26].

Микроструктура белых чугунов

Для выявления микроструктуры чугунов используют тот же травитель, что и для сталей: 1–5%-ный раствор HNO3 в спирте.

61

Как уже указывалось, белые чугуны находятся на диаграмме состояния железо–цементит правее точки Е, т.е. все они, в отличие от сталей, обязательно должны содержать эвтектику. Благодаря большому содержанию цементита эти чугуны имеют светлый излом и потому называются белыми. Белые чугуны подразделяют на доэвтек тические, эвтектические и заэвтектические.

Вэвтектическом белом чугуне (4,3% С) охлаждающийся жидкий раствор при температуре 1147 °С насыщается одновременно по отношению к аустениту (состава точки Е) и к цементиту (см. рис. 3.7), и из него кристаллизуется эвтектика (А +

+Ц), называемая ледебуритом (по имени немецкого металлурга А. Ледебура). Соотношение долей аустенита и цементита в ледебурите, согласно правилу рычага, равно примерно 50:50.

Вдоэвтектических белых чугунах (< 4,3% С) первично кристаллизуется аустенит в виде дендритов с округлыми ветвями. Когда состав жидкого раствора попадает в точку С кристаллизуется ледебурит.

Взаэвтектических белых чугунах (> 4,3% С) первично кристаллизуется цементит. Произвольные сечения пластин первичного цементита на шлифе имеют вид узких светлых полос. При кристаллизации первичного цементита, когда состав жидкого раствора попадает в точку С (см. рис. 3.7), кристаллизуется ледебурит.

После окончания затвердевания во всех белых чугунах при охлаждении состав аустенита изменяется по линии ES (см. рис. 3.7), и из него выделяется вторичный цементит, который наслаивается на эвтектический или первичный (для заэвтектических белых чугунов). Когда состав аустенита попадает в точку S и при переохлаждении ниже температуры 727 °С как первичный, так и эвтектический аустенит претерпевают эвтектоидный распад, превращаясь в перлит. Дендриты первичного аустенита, превратившегося в перлит, сохраняют свои первоначальные очертания, и поэтому соответствующую структурную составляющую называют превра­ щенным аустенитом. Ледебурит, внутри колоний которого

62

аустенитные кристаллы превратились в перлит, называют

превращенным ледебуритом.

Таким образом, при комнатной температуре можно увидеть следующие структурные составляющие (на рис. в [2,

с.27–30]):

––в доэвтектическом белом чугуне – первичный превращенный аустенит и превращенный ледебурит;

––в эвтектическом чугуне – превращенный ледебурит;

––в заэвтектическом белом чугуне – первичный цементит и превращенный ледебурит.

В заключение следует заметить, что независимо от со-

четания структурных составляющих и стали, и белые чугуны при комнатной температуре состоят из одних и тех же фаз – феррита и цементита.

Микроструктура серых чугунов

Микроструктуру серых чугунов анализируют, используя диаграмму состояния стабильной системы железо–графит (см. рис. 3.7, пунктирные линии). Она отличается от диаграммы состояния метастабильной системы железо–цемен- тит только в той части, где в фазовых равновесиях участвует высокоуглеродистая фаза (графит или цементит).

Предельная растворимость графита в g-Fe при эвтектической температуре соответствует точке Е′ (2,03% С).

Аустенито-графитная эвтектика образуется по реакции

LС′ 1153 °С (g-Fe)Е′ + C.

Линия сольвуса E′S′ относится к равновесию аустенита с графитом. В пересечении сольвуса E′S′ с линией полиморфного превращения аустенита в феррит GS′ находится эвтектоидная точка S′ (0,69% C), через которую при 738 °С проходит эвтектоидная горизонталь P′S′K′ (точка K′ относится к графиту). Эвтектоидный распад аустенита в стабильной системе идет по реакции:

(g-Fe)S′ 738 °С (a-Fe)P′ + C.

63

Точка Р′ характеризует предельную растворимость графита в феррите при эвтектоидной температуре.

Так как в структуре чугуна содержится графит, то излом имеет серый цвет, и такой чугун называют серым.

Серый чугун с пластинчатым графитом маркируют буквами СЧ, за которыми следует число, обозначающее гарантируемое временное сопротивление sв при растяжении в кгс/мм2, например СЧ10, СЧ25, СЧ30.

Для образования цементита требуется большее переохлаждение жидкого раствора или аустенита, чем для образования графита: система сплошных линий метастабильных равновесий с участием цементита находится ниже системы пунктирных линий стабильных равновесий с участием графита (см. рис. 3.7). Какая высокоуглеродистая фаза образуется в чугуне – графит или цементит, определяется прежде всего степенью переохлаждения исходного жидкого или твердого раствора, а она тем больше, чем выше скорость охлаждения чугуна.

Если при медленном охлаждении чугуна эвтектического состава жидкий раствор переохлаждается до температур ниже горизонтали E′C′F′, но выше горизонтали ECF (см. рис. 3.7), то образование ледебурита (L → (g-Fe) + Fe3C) вообще невозможно, и кристаллизуется аустенито-графитная эвтектика (L → (g-Fe) + C).

В обычном сером чугуне при медленном охлаждении во время кристаллизации графит очень слабо разветвляется. Он похож на розетку с небольшим числом изогнутых лепестков или на крабовидные образования. Графит плохо полируется и, рассеивая свет, имеет темный оттенок на светлом фоне металлической матрицы.

Из-за слабого ветвления ведущей фазы – графита и, соответственно, грубого внутреннего строения аустенито-графит- ной колонии эвтектики на шлифе не всегда можно различить наличие колоний (g-Fe) + C. Аустенито-графитная эвтектика не имеет специального названия.

64

С ускорением охлаждения, но так, чтобы еще не образовался ледебурит, графит при эвтектической кристаллизации ветвится сильнее, его отростки становятся тоньше, и на шлифе они имеют вид тонких и коротких чешуек и завихрений.

Вдоэвтектическом сером чугуне вначале проходит первичная кристаллизация аустенита, при которой жидкий

раствор обогащается углеродом и приобретает эвтектический состав. Если эвтектические колонии (g-Fe) + C на шлифе не выявляются, а видны лишь грубые изолированные пластины графита, то не видно и очертаний первичных кристаллов аустенита, и доэвтектический серый чугун не отличается по микроструктуре от эвтектического.

Взаэвтектическом чугуне при переохлаждении жидкого раствора до температур ниже линии C′D′, но выше линии CD (см. рис. 3.7) кристаллизуется первичный графит. Он растет

ввиде слабо разветвленных крабовидных образований. При первичной кристаллизации графита жидкий раствор обогащается железом и приобретает эвтектический состав. Эвтектический графит отличается на шлифе от более грубого первичного графита.

Вцелом же медленно закристаллизованные серые чугу­ ны по микроструктуре обычно трудно подразделить по со­ ставу на доэвтектические, эвтектические и заэвтектиче­ ские.

По окончании затвердевания любой серый чугун состоит из аустенита состава точки Е′ и графита. При последующем

медленном охлаждении состав аустенита изменяется по линии E′S′, и выделяется вторичный графит. Он наслаивается на ранее образовавшийся из жидкости эвтектический и первичный графит. Самостоятельную структурную составляющую вторичный графит, как правило, не образует.

Заключительным превращением в сером чугуне является эвтектоидный распад аустенита. В зависимости от скорости охлаждения он может проходить по разной схеме. Если при

медленном охлаждении аустенит переохлаждается до температур ниже горизонтали P′S′K′, но выше горизонтали PSK

65

(см. рис. 3.7), то превращение (g-Fe) → (a-Fe) + Fe3C произойти не может, и аустенит распадается на феррит и графит: (g-Fe) → (a-Fe) + C. При этом эвтектоидный графит наслаивается на уже имеющиеся графитные включения, и колонии эвтектоида (a-Fe) + C не образуются. Если по схеме (g-Fe) → → (a-Fe) + C распадается весь аустенит, то серый чугун состоит из двух структурных составляющих – графита (темные изогнутые прожилки) и феррита (светлые зерна). Такой чугун называют ферритным или серым чугуном на феррит­ ной основе (рис. в [2, с. 31]). Для выявления строения металлической основы серых чугунов используют тот же травитель, что и для сталей – слабый раствор HNO3 в спирте.

При ускоренном охлаждении аустенит в сером чугуне может переохладиться до температур ниже горизонтали PSK (см. рис. 3.7), и тогда распад аустенита идет по схеме (g-Fe) → → (a-Fe) + Fe3C с образованием колоний перлита. Такой чугун называют перлитным или серым чугуном на перлитной основе (см. на рис. в [2, с. 32]).

При скорости охлаждения, промежуточной между двумя указанными случаями, часть аустенита распадается по схеме (g-Fe) → (a-Fe) + C (при переохлаждении до температур между горизонталями P’S’K’ и PSK), а оставшаяся часть аустенита, переохлаждаясь до температур ниже горизонтали PSK, распадается по схеме (g-Fe) → (a-Fe) + Fe3C с образованием колоний перлита. В результате чугун содержит три структурные составляющие: графит, расположенный вокруг него феррит эвтектоидного происхождения и перлит. Такой чугун называют ферритоперлитным или серым чугуном на ферритоперлитной основе (см. на рис. в [2, с. 31]). Чем выше скорость охлаждения, тем большая доля аустенита превращается в перлит.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом

При введении в чугун около 0,05% Mg или Ce графит кристаллизуется в шаровидной или близкой к ней форме (рис. в [2, с. 33]). Для получения такого графита в литейных

66

цехах используют также комплексные модификаторы, содержащие магний, кальций и редкоземельные металлы. Поэтому такой чугун еще называют модифицированным.

Шаровидные включения графита меньше, чем пластинчатые, ослабляют сечение металлической матрицы и, главное, не являются такими сильными концентраторами напряжений, как пластинчатые включения графита.

Чугуны с шаровидным графитом называют высокопрочными и обозначают буквами ВЧ, за которыми следует число, указывающее гарантируемое значение sв в кгс/мм2, например ВЧ35, ВЧ50, ВЧ80. Так же как и серые чугуны, они подразделяются по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации и бывают на ферритной, ферритоперлитной и перлитной основах.

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают графитизирующим отжигом белого чугуна. При отжиге белого чугуна на ковкий образуется графит в благоприятной для механических свойств компактной хлопьевидной форме (рис. в [2, с. 33]), называемый также графитом отжига.

Хотя ковкий чугун и не куют, относительное удлинение у него может достигать гарантированного уровня 10–12%, в то время как у исходного белого чугуна оно не превышает 0,2%, а у серого чугуна с пластинчатым графитом – 1%.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ, за которыми следуют два числа, обозначающие минимальные значения sв, кгс/мм2 и d, %.

Перлит примерно в 2,5 раза прочнее и тверже феррита, но менее пластичен. Поэтому с увеличением количества перлита в структуре ковкого чугуна прочностные свойства растут, а пластичность снижается. Например, у ферритного ковкого чугуна марки КЧ37-12 σв = 370 МПа и δ = 12%, а у перлитного чугуна марки КЧ63-2 σв = 630 МПа и δ = 2%.

Режим отжига белого чугуна на ковкий представлен на рис. в [2, с. 32]. Исходный фазовый состав белого чугу-

67

на такой же, как у стали: феррит и цементит. При нагреве происходит перлитно-аустенитное превращение и растворение вторичного цементита. Во время выдержки около 10 ч при 900–1050 °C проходит первая стадия графитизации, по окончании которой весь цементит эвтектического происхождения и остатки вторичного цементита заменяются графитом, и структура из аустенито-цементитной превращается в аустенито-графитную. При охлаждении чугуна после окончания первой стадии графитизации состав аустенита изменяется по линии E’S’ (см. рис. 3.7), и из него выделяется вторичный графит, который наслаивается на включения углерода отжига и обычно самостоятельной структурной составляющей не дает.

На второй стадии отжига формируется металлическая матрица ковкого чугуна:

––для получения чисто ферритной матрицы охлаждение в интервале температур эвтектоидного распада (727 °С) должно быть медленным (см. рис. в [2, с. 32]);

––для получения чисто перлитной матрицы проводят ускоренное охлаждение.

3.2.Порядок проведения работы

1.Просмотреть шлифы сплавов систем Pb–Sb и Al–Cu

сэвтектикой при различных увеличениях и схематично зарисовать их микроструктуру при одном увеличении.

2.Подписать структурные составляющие рассмотренных микроструктур.

3.Просмотреть приготовленные шлифы сталей и чугунов при различных увеличениях.

4.Схематично зарисовать микроструктуры сталей и чугунов при одном увеличении.

5.Согласно диаграмме состояния подписать структурные составляющие.

68

3.3. Требования к отчету

Зарисовать типичные микроструктуры сплавов систем Pb–Sb и Al–Cu. Указать увеличение и структурные составляющие рассмотренных микроструктур.

Нарисовать диаграммы состояния для рассматриваемых систем.

Представить в таблице схематично зарисованные микроструктуры сталей и чугунов. Указать увеличение микроскопа. Под каждой структурой сталей и чугунов дать соответствующую ей подпись и стрелками указать структурные составляющие.

Литература

1.Металловедение: учебник / И.И. Новиков, В.С. Золоторевский и др. М.: Изд. Дом МИСиС, 2014. Т. 1. С. 79–80, 82–84, 90–92, 96–99, 102–106, 109–113, 130–143; Т. 2.

С.75–76, 254–256, 257–258.

2.Материаловедение. Атлас микроструктур. Ч. 2: лаб. практикум. М.: Изд. Дом НИТУ МИСиС, 2022. № 4361.

Контрольные вопросы

1.Как происходит процесс первичной кристаллизации

всплавах – твердых растворах?

2.Какова микроструктура однофазного сплава после равновесной кристаллизации?

3.Как определить долю эвтектики и первичных кристаллов по диаграмме состояния эвтектического типа?

4.Какие структурные составляющие имеют до- и заэвтектические сплавы?

5.Какую структуру может иметь сплав, в котором мало эвтектической жидкости?

69

6.Можно ли по микроструктуре однофазного сплава определить его химический состав?

7.Как происходит изменение составов жидкой и твердой

фаз в процессе охлаждения сплава n1 с температуры ликвидуса данного сплава до комнатной (см. рис. 3.3)? Каким компонентом обогащается расплав в процессе первичной кристаллизации?

8.Какие сплавы относятся к сталям?

9.Как классифицируют углеродистые стали?

10.Какова предельная растворимость углерода в феррите

иаустените?

11.Какой процесс протекает в сталях при переохлаждении ниже температуры 727 °С?

12.Что такое перлит?

13.Сталь какого состава называют эвтектоидной?

14.Какие структурные составляющие имеет до- и заэвтектоидная сталь?

15.Как по микроструктуре доэвтектоидной стали можно определить содержание в ней углерода?

16.Какие сплавы относят к чугунам?

17.Какой процесс протекает в белых чугунах при переохлаждении ниже температуры 1147 °С?

18.Сколько содержится углерода в ледебурите?

19.Какие структурные составляющие наблюдаются при комнатной температуре в доэвтектическом, эвтектическом и заэвтектическом белых чугунах?

20.Какие чугуны называют серыми и чем они отличаются от белых?

21.Какими методами получают ковкий и высокопрочный чугуны? Как они маркируются?

Примеры тестов для проверки знаний

идопуска к лабораторной работе

1.В структуре сплава Fe-3% C (масс.) после медленной кристаллизации и медленного охлаждения до 800 °С присутствуют (при 800 °С) фазы:

70