8. Фазы и структуры углеродистых сталей в твердом состоянии.

Ф азовые превращения в сталях при первичной и вторичной кристаллизации.

Первичная кристаллизация и фазовые превращения.

От точки 3 до 4 концентрация фаз меняется в соответствии с линией ΗΝ и JN. В точке 4 сплав полностью состоит из γ фазы.

При содержании углерода больше или меньше 0,16% после окончания перетектической реакции остаётся в избытке δ-фаза или жидкость (феррит), которые при дальнейшем охлаждении превращается в γ-фазу. Окончания превращения будет на линиях ΝJ или JE, когда наконец образуется однородная структура.

Превращение в твердом состоянии (вторичная кристаллизация).

Выше точки 5 сплав не насыщен углеродом. В точке 5 сплав уже не может сохранять концентрацию углерода в растворе, происходит выделение избыточного углерода в виде цементита. Этот процесс продолжается непрерывно при охлаждении и вызывает обеднение α-твёрдого раствора углерода до 0,01%.

Этот цементит называется третичным цементитом (Ц_III).

Эвтектоидный сплав (ΙΙΙ).Точка 6 (727 градусов) – минимальная температура равновесного существования аустенита. При этой температуре начинается эвтектоидный распад аустенита, образование феррита и цементита, т.е. аустенит при этой температуре в точке S: . Сталь с содержанием 0,8% называется эвтектоидной сталью. Стали с содержанием до 0,8% называются доэвтоктоидные стали. После 0,8% - заэктевтоидные. После 2,14% - чугун.

Сплав ΙV. Сплав 0,4%С имеет избыток Fe по равнению с эвтектоидной концентрацией, поэтому превращение начинается с выделением феррита (точка 7). При дальнейшем охлаждении выделение феррита, почти не содержащего С, вызывает обогащение С остающегося аустенита.

Концентрация аустенита меняется по линии GS. В точке b мы имеем феррит + устенит. Феррит в концентрации точки a, аустенит – концентрация в точке с. Количество фаз определяется соотношением . При достижении точки 8 состав аустенита примет эвтектоидную концентрацию 0,8%С. И при 727 аустенит перейдёт в перлит.

Сплав V. Точка 9 – из устенита выделяется цементит. При этот аустенит обедняется углеродом по линии ES, показывающей предельное насыщение устенита С. В точке 10 – образование перлита. Цементит выделяется по границам зёрен.

9. Разновидности чугунов и их свойства.

В зависимости от формы, в которой присутствует С в сплавах различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны.

Белые чугуны

Углерод в них присутствует в связанном состоянии в виде цементита. При кристаллизации фазовые превращения в этих чугунах происходят в соответствии с диаграммой Fe-Fe₃C. По структуре бывают доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Из-за присутствия большого количества цементита эти чугуны обладают высокой твёрдостью и хрупкостью. Для деталей машин такие чугуны почти не применяются. В структуре присутствует ледебурит и цементит вторичный, ледебурит, ледебурит и цементит первичный. Доэвтектические и заэвтектические белые чугуны применения не имеют. Доэвтектические чугуны используются для получения ковких чугунов.

Серые чугуны

В промышленности хорошо применяются серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Углерод в них находится в основном в виде графита. Графит обеспечивает пониженную твёрдость, его присутствие обеспечивает хорошую обрабатываемость резанию, он даёт высокие антифрикционные свойства (низкий коэффициент трения), снижает и прочность и пластичность. Особенно влияет форма графита на все эти свойства, его количество, распределение и величина. Серые чугуны имеют графит в форме пластин. По химическому составу серые чугуны могут быть обычными и легированными. У обычного чугуна основные элементы – железо, углерод и кремний. Примеси – марганец, фосфор и сера. Кремний является основным графитизирующим элементом. Соотношение элементов углерода и кремния влияют на условие графитизации, на структуру металлической основы и свойства чугунов. С увеличением количества углерода графитных включений будет больше, механические свойства будут ниже. Марганец затрудняет графитизацию, сера ухудшает механические литейные свойства, фосфор увеличивает жидкотекучесть сплавов. Соотношения углерода и кремния регулируют структуру чугуна. Основным технологическим фактором, влияющим на структуру, является скорость охлаждения – с увеличением скорости охлаждения увеличивается количество связанного углерода, и уменьшается количество графита. Кроме графита большое влияние на механические свойства оказывает металлическая основа. По структуре металлической основы серые чугуны бывают трёх видов:

1. С перлитной металлической основой. Перлит содержит 0,8% углерода, остальное – графит.

2. С перлитно-ферритной металлической основой. Количество связанного углерода меньше 0,8%.

3. С ферритной металлической основной. Весь углерод в виде графита.

Обозначение серых чугунов: СЧ15, СЧ45. Цифры обозначают предел прочности при растяжении. (σ_в = 150 МПа, 450 МПа).

Высокопрочные чугуны

Имеют графит в виде шара или близкие к данной форме. Получают путём модифицирования в жидком состоянии магнием. По структуре металлическая основа представляет из себя феррит и перлит. Шаровидная форма графита способствует получению некоторой пластичности у этих сплавов, и они уже могут быть использованы для ответственных деталей, например, для коленчатых валов.

Обозначаются: ВЧ38, ВЧ60. Цифры – предел прочности при растяжении – 380 МПа и 600 МПа. При этом пластичность снижается (с ростом прочности).

Ковкие чугуны

Имеет хлопьевидную форму графита. Такая форма графита меньше снижает механические свойства чем в серых чугунах графита. В этих чугунах пониженное содержание углерода и кремния, чтобы не происходила графитизация в процессе кристаллизации. Для получения ковких чугунов применяется отжиг по 2 режимам, и в результате отжига получается хлопьевидная форма графита и ферритная, перлитная или феррито-перлитная металлическая основа.

С хема отжига белого чугуна на ковкий чугун: (см рисунок)

По первому режиму: при Т = 1000 происходит графитизация цементита эвтектики и вторичного цементита. В конце выдержки при 1000 сплав будет состоять из аустенита с 2,14%С и графита. Далее при охлаждении от 1000 до А₁(727). Из аустенита будет выделяться графит и при температуре А₁ произойдёт эвтектоидное превращение аустенита в перлит и получится при дальнейшем охлаждении ковкий чугун с перлитной основой.

По второму режиму: существует 2 стадии графитизации: 1-я такая же, как и по первому режиму, 2-я стадия предназначена для графитизации цементита, входящего в перлит. Для этого даётся медленное охлаждение в районе температур 740-720. В зависимости от выдержки, может быть получено металлическая основа ферритная или феррито-перлитная.

Обозначается ковкий чугун: КЧ30-6, где 30 – σ_в = 300 МПа, а 6 – δ = 6%. Основа тут металлическая – феррит + 10% перлит.