1.4. Структура и свойства железоуглеродистых сплавов

Техническое железо. Структура технического железа с концентрацией углерода 0,012 % (рис. 4.4) состоит из светлых полиэдрических зёрен феррита и цементита третичного, который расположен в виде светлых включений по границам зёрен феррита.

Феррит является пластичной и мягкой составляющей (800 НВ, δ = 40%). Цементит – твёрдый и хрупкий (8000 НВ, δ = 0%). Наличие на границах зёрен прожилок цементита третичного понижает пластичность и вязкость сплава.

Рис. 4.4. Технические (двухфазное) железо

Стали. В процессе охлаждения из аустенита доэвтектоидных сталей выделяется феррит (рис. 4.5а). Температура, при которой начинает выделяться феррит, определяется линией GS (см. рис. 4.1).

Выделение феррита приводит к обогащению аустенита углеродом. При 727 °С концентрация углерода в аустените достигает 0,8%, и в этих условиях имеет место эвтектоидная реакция

А_0,8% → П_0,8%(Ф+ Ц).

Таким образом, структура доэвтектоидных сталей при комнатной температуре состоит из феррита, выделившегося в интервале температур Аr₃–Аr₁ (линии GS и РS), и перлита, образовавшегося при 727 °С.

В структуре доэвтектоидной стали цементита много больше, чем в техническом железе, и это повышает твёрдость стали (рис. 4.2).

Сталь с содержанием углерода 0,8% имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью. Перлит чаще всего имеет пластичное строение, при котором кристаллы цементита перемежаются с кристаллами феррита (рис. 4.5б). Увеличение содержания углерода повышает твердость, прочность, но снижает пластичность сплава.

Рис. 4.5. Структуры сталей: а – доэвтектоидная сталь, б – эвтектоидная сталь, в – заэвтектоидная сталь

Структура заэвтектоидной стали также формируется из аустенита. В интервале температур Аr_ст – Аr₁ (линии SE и SK) из аустенита выделяется цементит вторичный, который, как правило, располагается по границам зёрен. При 727 °С концентрация углерода в аустените будет соответствовать 0,8%, он рас­падается с образованием перлита.

Таким образом, структура заэвтектоидной стали при комнатной температуре – перлит и цементит вторичный (рис. 4.5в). Доля цементитной составляющей возросла в сравнении с предыдущими сплавами. Теперь цементит не только входит в перлит (эвтектоид), но и твёрдость стали возрастает до 3000 НВ.

Чугуны. Белый эвтектический чугун кристаллизуется при 1147 °С (см. рис. 4.1, линия ЕСF) с образованием ледебурита:

Ж_{4,3% С} → Л(А_{2,14% С} + Ц_{6,67% C}).

Охлаждение до 727 °С приводит к уменьшению концентрации углерода в аустените до 0,8 %. При 727 °С аустенит превращается в перлит.

Таким образом, эвтектический чугун (рис. 4.6б) при комнатной температуре имеет структуру ледебурита, состоящего из перлита и цементита. Основной фазой в белом чугуне является цементит, поэтому белый чугун твёрдый (6500 НВ).

Структура доэвтектических чугунов (рис. 4.6а) состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита, а заэвтектических чугунов (рис. 4.6в) – из ледебурита и цементита, выделившегося из жидкой фазы.

Рис. 4.6. Структуры белых чугунов: а – доэвтектический чугун, б – эвтектический чугун, в – заэвтектический чугун

Зависимость свойств серых чугунов от структуры значительно сложнее, чем у стали, так как серые чугуны состоят из металлической основы и графитовых включений. Поэтому для характеристики структуры серого чугуна необходимо определи размеры, форму, распределение графита, а также структуру металлической основы (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Серый перлито-ферритный чугун

Чем меньше графитовых включений, тем они мельче и сильнее изолированы друг от друга, тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической основе.

Рис. 4.8. Высокопрочный перлито-ферритный чугун

Металлическая основа серого чугуна СЧ 15 с содержанием углерода 3,1–3,6% (рис. 4.7) состоит из феррита (белая составляющая) и перлита (тёмная составляющая). Грубо- или среднепластинчатые графитовые включения в виде тёмных полос разрезают металлическую основу. Поэтому такой серый чугун имеет низкую прочность при работе на растяжение и практически нулевую пластичность: σ_В = 150 МПа, δ = 0,5%. Твердость определяется строением металлической основы и соответствует 1630–2290 НВ.

Рис. 4.9. Ковкий ферритный чугун

Высокопрочный чугун в отличие от серого имеет включения графита шаровидной формы, а не пластинчатой. Такой чугун имеет более высокие механические свойств. Структура ВЧ 45 (рис. 4.8) с содержанием углерода 3,3–3,5% состоит из феррита (светлая составляющая), перлита (тёмная сос­тавляющая) и графита шаровидной формы (тёмные округлые включения) (рис. 4.8). Прочность при растяжении σ_В = 450 МПа, относительное удлинение δ = 5%. Твёр­дость определяется металлической основой и соответствует 1700–2070 НВ.

Ковкий чугун имеет графит хлопьевидной формы. Это обеспечивает хорошие механические свойства. Структура КЧ 35–10 с содержанием 2,4–2,8% С состоит из светлых зёрен феррита и хлопьевидного графита (рис. 4.9).

Ферритная металлическая основа обеспечивает невысокую твёрдость (1490–1630 НВ). Прочность чугуна σ_В = 350 МПа, относительное удлинение δ = 10%.