Калин Физическое материаловедение Том 2 Основы материаловедения 2007

углерода в аустените в соответствии С линией SE. При температуре 727 °С аустенит, обедненный углеродом до 0,8 %, превращается в перлит. Таким образом, доэвтектические чугуны после окончательного охлаждения имеют структуру: перлит + ледебурит (П+Ц) + вторичный цементит. Чем больше в чугуне углерода, тем меньше перлита и больше ледебурита (рис. 5.45). Эвтектический чугун содержит 4,3 % С и при температурах ниже 727 °С состоит только из ледебурита (П+Ц) (рис. 5.46).

а– ледебурит (эвтектический чугун); б – заэвтектический чугун,

в–доэвтектический чугун; г – половинчатый чугун; д – серый перлитный чугун;

е– шаровидный графит в чугуне с магнием

Заэвтектический чугун содержит углерода больше, чем 4,3 %, и после затвердевания состоит из цементита и ледебурита (аустенит+Fe3C). При понижении температуры эвтектический аустенит обедняется углеродом вследствие выделения избыточного цементита и при температуре 727°С распадается с образованием перлита. После охлаждения заэвтектические чугуны состоят из первичного цементита, имеющего форму пластин, и ледебурита (П+Ц)

311

(рис. 5.45). С повышением содержания углерода количество цементита возрастает.

Сплавы железа с углеродом после окончания кристаллизации имеют различную структуру (см. рис. 5.44). Однако, фазовый состав всех сплавов при температурах ниже 727 °С одинаков: они состоят из феррита и цементита (см. рис. 5.43 и 5.45).

Рассмотрим более внимательно представленную на рис. 5.43 диаграмму Fe–С (стабильное равновесие). При очень малых скоростях охлаждения вместо цементита прямо из жидкости может кристаллизоваться углерод – графит, а вместо эвтектики аустенита с цементитом может образовываться эвтектика аустенита с графитом. Возможно также образование стабильной фазы графита в чугуне вследствие распада предварительно образовавшегося цементита. Поэтому для случая очень медленного охлаждения часть линий диаграммы железо–углерод имеет несколько другой вид, показанный на рис. 5.43 пунктиром. Процесс образования в чугуне (стали) графита называется графитизацией. Линии железо-графитной системы на рис. 5.43 идут несколько выше, чем линии железо-цементитной системы. Очевидно, что система железо–графит является более устойчивой, более близкой к состоянию полного равновесия, чем система железо–цементит. Это следует также из того, что при нагревании высокоуглеродистых сплавов, содержащих много цементита, происходит его распад на

феррит и графит по реакции: Fe3C → 3Fe + Cграфит. При средних скоростях охлаждения часть сплава может закристаллизоваться

по графитной, а часть по цементитной системе. То же самое может получиться, если ускорить охлаждение в процессе кристаллизации.

В стабильной системе (см. рис. 5.43) при температурах, соответствующих линии C′D′, кристаллизуется первичный графит. При температуре 1153 °С (линия E′C′F′) образуется графитная эвтектика: А + Графит. По линии E′S′ выделяется вторичный графит, а при 738 °С (линия S′K′) образуется эвтектоид, состоящий из феррита и графита.

Если при эвтектической кристаллизации выделяется только графит, то чугун называют серым (название по цвету излома). Если

312

выделяется графит + цементит, чугун называется половинчатым (рис. 5.46,г), а если только цементит, то называется белым (название по цвету излома). Серый чугун может быть на ферритной основе, на феррито-перлитной основе и на перлитной основе (рис. 5.46,д).

В зависимости от содержания углерода, связанного в цементит, различают:

- белый чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита Fe3C. Структура такого чугуна: перлит, ледебурит и цементит. Степень графитизации равна нулю. Белый чугун обладает высокой твердостью и хрупкостью, практически не поддается обработке режущим инструментом;

- половинчатый чугун, в котором большая часть углерода (> 0,8 %) находится в виде Fe3C. Структура такого чугуна: перлит, ледебурит и пластинчатый графит;

- серый чугун:

а) на ферритной основе, структура: феррит и пластинчатый графит. Весь углерод находится в виде графита;

б) на феррито-перлитной основе, структура такого чугуна: перлит, феррит и пластинчатый графит. В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1 % С;

в) на перлитной основе, структура чугуна: перлит и пластинчатый графит. В этом чугуне 0,7–0,8 % С находится в виде Fe3C, входящего в состав перлита.

Из рассмотрения структур последних трех видов чугуна можно сделать вывод, что их металлическая основа похожа на структуру железа, доэвтектоидной стали и эвтектоидной стали. По структуре серые чугуны отличаются от стали только тем, что в чугунах имеются графитные включения, определяющие специфические свойства чугунов. В итоге весь углерод нужно рассматривать как

находящийся в состоянии: Собщий = Ссвязанный + Ссвободный. Графит в чугунах может быть в трех основных формах:

-пластинчатый – это как правило серый;

-хлопьевидный; если при отливке получить белый чугун, а затем, используя неустойчивость цементита, с помощью отжига

313

разложить его, то образующийся графит приобретает компактную, почти равноосную, но не округлую форму. Такой графит называется хлопьевидным или углеродом отжига. С учетом того, что такой чугун обладает пластичностью лучше, чем пластинчатый, его часто называют ковким чугуном;

- шаровидный; в современных так называемых высокопрочных чугунах, выплавленных с присадкой небольшого количества магния (0,03–0,07 %) или церия, графит приобретает форму шара

(рис. 5.46,е).

Типичные микроструктуры чугунов приведены на рис. 5.46. На какие свойства особенно сильно влияют графитные включения пластинчатой формы, играющие роль трещин, острых надрезов внутри металла? При растягивающих нагрузках облегчается образование очагов разрушения по концам графитных включений. По механическим свойствам чугун характеризуется низким сопротивлением развитию трещины и поэтому имеет низкие механические свойства при испытаниях, где преобладают нормальные растягивающие напряжения. Если растягивающие напряжения имеют минимальные значения, как, например, при сжатии, свойства чугуна оказываются достаточно высокими и практически очень близкими к свойствам стали того же состава и структуры,

что и металлическая основа чугуна.

Поэтому предел прочности при сжатии и твердость чугуна зависят главным образом от строения металлической основы и мало отличаются от этих свойств стали. Такие свойства чугуна, как сопротивление разрыву, а также изгибу, кручению, в основном обусловливаются количеством, формой и размерами графитных включений; в данном случае свойства чугуна сильно отличаются от свойств стали. Это в большей степени относится к серому чугуну с пластинчатыми включениями графита. По мере округления графитных включений указанное отрицательное влияние графитных включений уменьшается.

Округлые включения шаровидного графита не создают резкой концентрации напряжений, такие включения не являются «трещинами», и чугун с шаровидным графитом имеет значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем чугун с

314

пластинчатым графитом (отсюда и название чугуна с шаровидным графитом – высокопрочный чугун). Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном. Таким образом прочность чугуна (в отношении нормальных напряжений) определяется строением металлической основы и формой графитных включений.

Очень часто упоминается о вредности графитных включений. Однако в ряде случаев образование этих включений может быть полезным. Именно благодаря наличию графита чугун иногда используется вместо стали, поскольку:

-наличие графита облегчает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой;

-чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами благодаря смазывающему действию графита;

-наличие графитных выделений быстро гасит вибрации и резонансные колебания;

-чугун меньше чувствителен к дефектам поверхности, надрезам и т.п., чем высокопрочная сталь;

-чугун обладает лучшими литейными свойствами по сравнению со сталью. Более низкая температура плавления и окончание кристаллизации при постоянной температуре эвтектики обеспечивают не только удобство в работе, но и лучшие жидкотекучесть

изаполняемость форм.

Описанные свойства чугуна делают его ценным конструкционным материалом, широко применяемым в деталях машин, которые не испытывают значительных растягивающих и ударных нагрузок.

5.4. Анализ сложных диаграмм фазового равновесия

Выше были рассмотрены элементы, из которых строятся двухкомпонентные диаграммы фазового равновесия, и приведены типичные простейшие диаграммы фазового равновесия с реакциями на горизонтальных линиях и с промежуточными фазами. Был проведен очень подробно анализ диаграммы Fe–С, сплавы которой к

315

настоящему времени изучены наиболее полно, если сравнивать с любыми другими диаграммами фазового равновесия.

Будет полезно ознакомиться с тем, как сочетаются эти простейшие диаграммы и элементы построения для получения и анализа диаграмм сложной конфигурации. При соединении элементов диаграмм и простейших реакций в полную диаграмму фазового равновесия должны соблюдаться следующие принципы:

-однофазные области могут соприкасаться друг с другом только в одной точке (т.е. в точке конгруэнтного превращения) и никогда по граничной линии;

-две соседние однофазные области отделяются друг от друга двухфазными областями, состоящими из этих двух фаз;

-от каждой трехфазной изотермической линии должны исходить три двухфазные области, т.е. от каждой изотермической линии должны исходить шесть граничных линий;

-любую горизонталь на диаграмме фазового равновесия можно рассматривать как три коноды, каждая из которых соединяет составы фаз, находящихся в равновесии.

Трехфазная реакция всегда протекает при постоянной температуре, при которой при охлаждении:

-или одна фаза промежуточного состава распадается на две другие крайних составов на горизонтали (эвтектическая, эвтектоидная, монотектическая, монотектоидная или метатектическая реакция);

-или при взаимодействии двух крайних на горизонтали фаз образуется третья промежуточная по составу фаза (перитектическая, перитектоидная или синтектическая реакция).

Полиморфизм. Для реакций, протекающих в твердом состоянии (эвтектоидная, монотектоидная, перитектоидная реакции), и метатектической реакции обязательным является наличие поли-

морфизма (аллотропических превращений) хотя бы у одного из компонентов. Ранее мы уже рассмотрели несколько диаграмм фазового равновесия, компоненты которых обладают двумя аллотропическими модификациями (см. рис. 5.25, 5.31, 5.32, 5.37), а в случае диаграммы Fe–С (см. рис. 5.43) железо находится в трех аллотропических состояниях. Диаграммы фазового равновесия с

316

полиморфными компонентами отличаются большим разнообрази-

ем (рис. 5.47).

аб

в

Рис. 5.47. Диаграммы фазового равновесия с наличием полиморфизма

укомпонентов:

а– с непрерывными рядами твердых α- и β-растворов между изоморфными модификациями компонентов А и В; б – с непрерывным рядом β-твердых растворов между высокотемпературной модификацией компонента А

икомпонентом В; в – с замкнутой областью α-фазы на основе полиморфного компонента А, который имеет три модификации

На рис. 5.47,а представлена простейшая диаграмма фазового равновесия с непрерывными рядами твердых α- и β-растворов между изоморфными модификациями компонентов А и В.

На рис. 5.47,б показана диаграмма с непрерывным рядом β-твердых растворов между высокотемпературной модификацией компонента А и компонентом В. Следует отметить, что при добавлении компонента В к компоненту А температуры начала и

317

конца превращения β → α снижаются, в результате чего область существования твердых растворов увеличивается. В данном случае можно сказать, что по отношению к компоненту А легирующие элементы, расширяющие область устойчивости высокотемпературной β-фазы, называют β-стабилизаторами.

На рис. 5.47,в представлена диаграмма фазового равновесия с замкнутой областью α-фазы на основе полиморфного компонента А, который имеет три модификации. Две из них (низкотемпературная и высокотемпературная β-модификации) изоморфны между собой и компоненту В, образуя с ними непрерывные ряды твердых растворов.

Анализ диаграмм. При описании всех диаграмм фазового равновесия целесообразно придерживаться определенного плана при рассмотрении процессов, происходящих в различных областях и на линиях диаграммы

1.Растворимость компонентов в жидком состоянии.

2.Полиморфизм компонентов, если это имеет место.

3.Растворимость компонентов в твердом состоянии, ее максимальное значение и характер изменения растворимости при изменении температуры.

4.Наличие каких-либо реакций на горизонтальных линиях на диаграмме с записью этих реакций.

5.Если на диаграмме имеются промежуточные фазы, дать им развернутую характеристику: их состав, наличие или отсутствие области гомогенности, конгруэнтно или инконгруэнтно плавящиеся.

Например, охарактеризуем по этому плану диаграмму фазового равновесия, приведенную на рис. 5.37,а:

1.Компоненты А и В обладают полной взаимной растворимостью в жидком состоянии.

2.Компонент А имеет две аллотропические модификации, α- низкотемпературную и γ-высокотемпературную. Компонент В также имеет две аллотропические модификации, β-низко- температурную и γ-высокотемпературную.

3.Высокотемпературные γ-модификации компонентов А и В образуют непрерывный ряд твердых растворов (или обладают полной взаимной растворимостью).

318

Компонент В растворяется в компоненте А, образуя α-твердый раствор с точкой сольвуса а (точкой, показывающей максимальную растворимость В в А). Растворимость компонента В в А уменьшается с понижением температуры.

Компонент А растворяется в компоненте В, образуя β-твердый раствор с точкой сольвуса b. Растворимость А в В уменьшается с понижением температуры.

4.При температуре T1 на линии abp наблюдается перитектоидная реакция: αa + γp → βb.

5.Промежуточных фаз на данной диаграмме не наблюдается. В начале п. 5.4 были приведены основные принципы, которые

должны соблюдаться при соединении элементов диаграмм и простейших реакций в полную диаграмму фазового равновесия. Применение этих принципов при построении сложных диаграмм иллюстрируется воображаемой диаграммой фазового равновесия на рис. 5.48, включающей многие элементы и реакции, рассмотренные в предыдущих разделах.

Рис. 5.48. Гипотетическая диаграмма 1 фазового равновесия

Охарактеризуем эту диаграмму, основываясь на ранее приведенном плане

1. Компоненты А и В обладают ограниченной растворимостью в жидком состоянии (расслоением жидкости) при температуре ниже

319

T5 в интервале концентраций между проекциями точек r и s на ось концентраций.

2. Компонент А имеет две аллотропические модификации, α- низкотемпературную и γ-высокотемпературную.

3. Компоненты А и В обладают ограниченной растворимостью в твердом состоянии.

Компонент В растворяется в γ-высокотемпературной модификации компонента А с точкой сольвуса d и в α-низкотемпературной модификации компонента А с точкой сольвуса c. Растворимость В

вα-низкотемпературной модификации компонента А уменьшается

спонижением температуры.

Компонент А растворяется в компоненте В с точкой сольвуса w. Растворимость А в В уменьшается с понижением температуры.

4. При температуре T1 на линии cde наблюдается метатектическая реакция γd → αc + Le, т.е. γ-твердый раствор состава точки d при охлаждении распадается на α-твердый раствор состава точки c и жидкость (или жидкий сплав) состава точки e.

При температуре T2 на линии fgh наблюдается перитектическая реакция αf + Lh → δg c образованием при охлаждении δ-твердого раствора на основе промежуточной фазы, которую мы назвали С1.

При температуре T3 на линии jkl происходит эвтектическая ре-

акция Lk → δj + ηl.

При температуре T6 на линии mno происходит перитектическая реакция ηm + Lo → C3 c образованием неустойчивого химического соединения состава C3.

При температуре T7 на линии prs наблюдается монотектическая

реакция (L1)r → (L2)s + (С3)p.

При температуре T8 на линии vuw происходит эвтектическая ре-

акция Lu → C3 + βw.

5. На диаграмме фазового равновесия мы можем отметить существование трех промежуточных фаз:

-устойчивой промежуточной фазы (конгруэнтно плавящейся) на основе химического соединения С2 с областью гомогенности η;

-инконгруэнтно плавящейся (неустойчивой) промежуточной

фазы на основе химического соединения С1 с областью гомогенности δ;

320