СТРУКТУРА СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗО УГЛЕРОД В ОТОЖЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

1 Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Проектирование и эксплуатация автомобилей» Н. А. Михайлова Г. Н. Завьялова СТРУКТУРА СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗО УГЛЕРОД В ОТОЖЖЕННОМ СОСТОЯНИИ Методические рекомендации к изучению дисциплин «Материаловедение» и «Материаловедение и технология конструкционных материалов» для студентов специальностей «Подвижной состав», «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» и направлений подготовки «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», «Электроэнергетика и электротехника»; «Технология транспортных процессов»; «Строительство», «Наземные транспортно-технологические комплексы» всех форм обучения Екатеринбург УрГУПС 2016

2 УДК М 69 Михайлова, Н. А. М 69 Структура сплавов железо углерод в отожженном состоянии : метод. рекомендации / Н. А. Михайлова, Г. Н. Завьялова. Екатеринбург : УрГУПС, с. Содержатся основные сведения по диаграмме состояния железо углерод, даны представления о классификации железоуглеродистых сплавов и формировании их свойств. Рекомендации предназначены для теоретической подготовки при выполнении лабораторных, самостоятельных, контрольных работ, а также при подготовке к зачету или экзамену для студентов, изучающих дисциплины «Материаловедение» и «Материаловедение и технология конструкционных материалов». Составлены в соответствии с учебными программами для студентов всех форм обучения механического, электромеханического, строительного, электротехнического факультетов и ФУПП. УДК Авторы: Н. А. Михайлова, доцент кафедры «Проектирование и эксплуатация автомобилей», канд. техн. наук, УрГУПС; Г. Н. Завьялова, ст. преподаватель кафедры «Проектирование и эксплуатация автомобилей», УрГУПС Рецензент: В. Ф. Лапшин, профессор кафедры «Вагоны», д-р техн. наук, УрГУПС Учебное издание Михайлова Наталья Арефьевна Завьялова Галина Николаевна СТРУКТУРА СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗО УГЛЕРОД В ОТОЖЖЕННОМ СОСТОЯНИИ Редактор С. В. Пилюгина Верстка Н. А. Журавлевой Подписано в печать Формат 60х 84/16. Усл. печ. л 1,9. Электронная версия. Заказ 124. УрГУПС , Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66 Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2016

3 Оглавление Введение. 4 Диаграмма состояния железо цементит Компоненты и фазы диаграммы состояния железо цементит Общая характеристика диаграммы железо цементит Классификация железоуглеродистых сплавов Фазовые и структурные превращения в сталях Фазовые и структурные превращения в белых чугунах Превращения в сплавах системы железо графит Характерные особенности серых чугунов Классификация серых чугунов Обозначения серых чугунов Библиографический список

4 Введение По данным ученых % современных машин изготовляются из сплавов на основе железа. Тенденция использования этих сплавов будет сохраняться, несмотря на появление большого ряда неметаллических материалов. Это обусловлено наличием ряда недостатков неметаллических материалов. Например, для керамических материалов обнаружена нестабильность размеров после упрочняющей термической обработки, для полимерных материалов характерна сложность процессов утилизации. Эксплуатационные свойства металлических материалов определяются их механическими и физическими свойствами. А свойства железоуглеродистых сплавов существенно зависят от их структуры, которая определяется химическим составом сплава, применяемой термической или химико-термической обработкой. Поэтому, чтобы выпускать качественную продукцию из железоуглеродистых сплавов, прежде всего, необходимо знать какие превращения происходят в системе железо углерод и как они влияют на структуру. Данная работа позволяет ознакомиться с микроструктурой железоуглеродистых сплавов при охлаждении со скоростями градусов в час и понять роль различных структурных составляющих в формировании свойств этих сплавов. 4

5 Диаграмма состояния железо углерод описывает превращения, проходящие в сталях и чугунах. Эти железоуглеродистые сплавы широко используются для производства деталей машин и механизмов и других изделий. Существуют две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе железо карбид железа Fe 3 C(цементит) и стабильная, характеризующая превращения в системе железо углерод (графит). Для всех сталей превращения при кристаллизации совершаются в соответствии с метастабильной диаграммой (железо цементит). В чугунах превращения при первичной кристаллизации часто идут по стабильной диаграмме (железо графит), а при дальнейшем охлаждении в твердом состоянии по метастабильной диаграмме. Диаграмма состояния железо цементит 1. Компоненты и фазы диаграммы состояния железо цементит Рассмотрим первоначально метастабильную диаграмму состояния железо цементит (Fe Fe 3 C), полученную при относительно небольших скоростях охлаждения несколько градусов в минуту (рис. 1). Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов в функции температур нагрева или охлаждения и концентрации компонентов. Горизонтальная ось (ось концентраций компонентов) показывает изменение количества углерода и цементита. Вертикальные оси (оси температур) отражают изменение температуры при нагреве или охлаждении в градусах Цельсия. Анализ диаграмм позволяет определить возможность образования тех или иных фаз и структур (от чистого железа до цементита), возникающих при нагреве либо охлаждении в сплавах с различной концентрацией углерода. Основными химическими компонентами этой диаграммы являются железо и цементит. 5

6 t, С Феррит 1539 A (Ф) Н Ф + А 1400 J N 1392 Феррит (Ф) Ф + П G 800 M 600 Ф + Ц III400Q P B Аустенит (А) Перлит О S Ф + Ж А + Ж E А + Ц II П + Ц II А + Ц II + Л П + Ц II + пр.л Жидкая фаза (Ж) Ж + Ц I 0,02 0,81,0 2,14 3,0 4,0 4,3 5,0 6,0 6, Ледебурит Пр. ледебурит C Ц I + Л Ц I + пр.л D F K L C Fe Рис. 1. Диаграмма состояния Fe Fe 3 C Железо серебристо-светлый металл. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм, плотность 7,68 г/см 3, температура плавления 1539 о С. Прочность технического железа невелика σ В = 250 МПа, δ = 50 %, ψ = 80 %. Железо имеет две аллотропические модификации: α-fe и γ-fe (рис.2). Критические точки, выявляемые в чистом железе при охлаждении температуры плавления и фазового перехода, нанесены на вертикальную левую температурную ось диаграммы состояния. При нормальной температуре железо имеет атомно-кристаллическую структуру в виде объемно центрированной кубической кристаллической решетки (ОЦК) с периодом 0,286 нм и обозначается как альфа-железо (α-fe ) (см. рис. 2). Такое железо является магнитным до температуры 768 о С, называемой точкой Кюри, выше 768 о С немагнитным. При переходе точки Кюри кристаллическая решетка не изменяется следовательно, аллотропического превращения нет. Немагнитное альфа-железо часто обозначают как β-fe. При температуре 911 о С (см. точку G на рис.1 и точку А 3 на рис. 2) происходит 6

7 аллотропическое превращение α-fe, при этом кубическая объемноцентрированная решетка переходит в кубическую гранецентрированную решетку (ГЦК) с периодом 0,3645 нм (см. рис. 2). Такое железо обозначают как гамма-железо (γ-fe). Свойства железа изменяются: оно приобретает высокую пластичность, вязкость, плотность (до 8,0 8,1 г/см 3 ), увеличивается его способность растворять углерод. При температуре 1392 о С (см. точку N на рис.1 и точку А 4 на рис. 2) происходит второе аллотропическое превращение железа. Гранецентрированная кубическая решетка γ-fe вновь переходит в объемно центрированную кубическую решетку α-fe c периодом 0,293 нм. Жидкость t пл = 1539 С δ(α) Fe решетка ОЦК A 4 = 1392 С (Fe δ Fe γ ) Температура γ Fe решетка ГЦК A 3 = 911 С (Fe γ Fe α ) α Fe решетка ОЦК A 2 = 768 С (точка Кюри) Время Рис. 2. Термическая кривая охлаждения железа, отражающая полиморфизм железа Эту модификацию железа обозначают как дельта-железо δ-fe. При температуре 1539 С (см. точку А на рис. 1 и точку t пл на рис. 2) железо плавится. Цементит (на диаграмме обозначается Ц) карбид железа Fe 3 C, химическое соединение железа с углеродом, содержащее 6,67 % углерода. Карбид железа сохраняет свой химический состав при разных 7

8 С Fe Рис. 3. Кристаллическая решетка цементита температурах, имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов (рис. 3). Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. При нагреве лазерным лучом она установлена равной 1260 о С и обозначается точкой D на правой вертикальной оси. До температуры 210 о С (критическая точка А о ) цементит ферромагнитен. К характерным особенностям цементита относится его высокая твердость (до 1000 HV) и очень малая пластичность. Цементит является метастабильной фазой, и в условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода (чугунах) распадается на железо и графит. В процессе охлаждения цементит может выделяться из различных фаз. Первичный цементит Ц I. Выделяется при кристаллизации из жидкой фазы железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 4,3 % (ниже линии DC см. рис. 1). Вторичный цементит Ц II. Выделяется при вторичной кристаллизации из аустенита железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 0,8 % в интервале температур от 1147 до 727 о С (ниже линии SE см. рис. 1). Третичный цементит Ц III. Выделяется при третичной кристаллизации из феррита железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 0,01 % в интервале температур от 727 до 20 о С (ниже линии РQ см. рис. 1). В системе Fe Fe 3 C существуют следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы феррит и аустенит, химическая фаза цементит. Феррит (на диаграмме обозначается Ф или α) твердый раствор внедрения углерода в α-fe. Различают низкотемпературный α-феррит и высокотемпературный δ-феррит. Твердый раствор внедрения углерода в δ-fe называют δ- феррит. Твердый раствор внедрения углерода в α-fe называют α-феррит. 8

9 а б Рис. 4. Кристаллическая решетка: а феррита; б аустенита Феррит имеет объемно центрированную кристаллическую решетку (рис. 4, а). В решетке феррита атом углерода располагается в центре грани куба, а также в вакансиях и на дислокациях. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен (см. рис. 6, а). В зависимости от температуры меняется растворимость углерода в феррите. Максимальное содержание углерода в δ-fe при температуре 1499 о С 0,1% (см. точку Н на рис. 1), в α-fe при температуре 727 о С 0,02 % (см. точку Р на рис. 1). Минимальное содержание углерода в феррите при нормальных температурах 0,006 % (см. точку Q на рис. 1). Феррит мягкая, пластичная фаза, имеет следующие механические свойства: σ в = 250 МПа, σ 0,2 =120 МПа, δ = 50 %, ψ = 80 %, НВ, КСU +20 = КДж/м 2. Аустенит (на диаграмме обозначается А или γ) твердый раствор внедрения углерода в γ железо. Аустенит имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку. Атом углерода в решетке γ-fe располагается в центре элементарной ячейки и в дефектных областях кристалла (см. рис. 4, б). Предельная растворимость углерода в γ-fe составляет 2,14 % при температуре 1147 о С (см. точку С на рис. 1). Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности, но более твердый, чем феррит Его твердость НВ. Микроструктура аустенита полиэдрические зерна. Феррит и аустенит фазы переменного состава. 9

10 2. Общая характеристика диаграммы железо цементит Каждая точка диаграммы состояния «железо цементит» характеризует строго определенный состав сплава при соответствующей температуре. В таблице 1 приведены характеристики основных точек диаграммы (см. рис. 1). Л и н и я АВСD (см. рис. 1) линия ликвидус. Обозначает начало первичной кристаллизации сплавов. Выше этой линии все железоуглеродистые сплавы находятся в жидком состоянии, представляющем собой жидкий раствор (жидкую фазу Ж). Л и н и я АНJECF (см. рис. 1) линия солидус. Обозначает окончание процесса первичной кристаллизации сплавов. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Обозначение точек Характерные точки диаграммы состояния железо цементит Температура, С Концетрация углерода, % Определение точки Таблица 1 A Температура плавления железа B ,5 Состав жидкой фазы при перитектическом превращении C ,3 Параметры точки эвтектического превращения D ,67 Температура плавления цементита Fe 3 C E ,14 Предельная растворимость углерода в γ-fe J ,16 Параметры точки перитектического превращения H ,1 Предельная растворимость углерода в δ-fe N Аллотропическое превращение δ-fe γ-fe G Аллотропическое превращение γ-fe α-fe S 727 0,8 Параметры точки эвтектоидного превращения P 727 0,02 Предельная растворимость углерода в α-f Q 600 0,006 Минимальная растворимость углерода в α-fе 10

11 Окончание табл. 1 Обозначение точек Температура, С Концетрация углерода, % K 727 6,67 F ,67 Определение точки Состав цементита при эвтектоидном превращении Состав цементита при эвтектическом превращении Превращения в железоуглеродистых сплавах происходят как при затвердевании жидкой фазы (первичная кристаллизация), так и в твердом состоянии (вторичная кристаллизация). Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых линиями ликвидус и солидус. Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной аллотропической модификации в другую (δ-fe в γ-fe; γ-fe в α-fe) и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите. При понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. Линия ES (см. рис. 1) характеризует изменение концентрации углерода в аустените, а линия PQ в феррите. Цементит имеет неизменный состав (вертикаль DFKL на рис. 1), меняются лишь форма и размеры его кристаллов, что отражается на свойствах сталей и чугунов. Цементит, который выделился из жидкости, называют первичным; из аустенита вторичным; из феррита третичным. Поэтому линия CD на диаграмме состояния называется линией первичного цементита, ES линией вторичного цементита, PQ линией третичного цементита. В системе железо цементит происходят три изотермических превращения. Перитектическое превращение на линии HJB (1499 С) δ-ф Н + Ж В А J. (1) Это превращение, при котором две фазы жидкая фаза состава точки В (0,5 % С) и кристаллы твердой фазы δ-феррита (δ-ф Н) ) состава точки Н (0,1 % С) реагируют между собой и образуют третью твердую фазу аустенит (А J ) состава точки J (0,16 % С). Эвтектическое превращение на линии ECF (1147 С) Ж С (А Е + Ц F ). (2) Это превращение, при котором жидкая фаза (Ж С ) состава точки С (4,3 % С), кристаллизуется с образованием механической смеси двух 11

12 твердых фаз аустенита (А Е ), состава точки Е (2,14 % С) и цементита (Ц F ), состава точки F (6,67 % С). Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом. При охлаждении ледебурита ниже линии РSК входящий в него аустенит превращается в перлит, поэтому при комнатной температуре ледебурит представляет собой уже смесь перлита и цементита. Такой ледебурит часто называют превращенным ледебуритом. В этой структуре цементит образует матрицу (основу), в которой размещены колонии перлита (см. рис. 13). Содержание углерода в ледебурите постоянно и равно 4,3 %. Превращенный ледебурит хрупкий, но обладает большой твердостью (НВ > 600). Присутствие ледебурита в структуре сплавов делает их не способными к обработке давлением, затрудняет обработку резанием. Эвтектоидное превращение на линии PSK (727 С) A S (α-ф Р + Ц К ). (3) Это превращение, при котором твердая фаза аустенит (A S ), состава точки S (0,8 % С) превращается в механическую смесь двух твердых фаз альфа-феррита (α-ф Р ) состава точки Р (0,02 % С) и цементита (Ц К ) состава точки К (6,67 % С). Эвтектоидную смесь феррита и цементита называют перлитом. В структуре перлита наблюдается чередование пластин цементита и альфа-феррита (см. рис. 8). Перлит является прочной структурой: σ В = МПа, σ 0,2 = 450 МПа, δ = 16 %, НВ Классификация железоуглеродистых сплавов Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 % С, называют техническим железом. Сплавы железа с углеродом до 2,14 % С называют сталями. Сплавы железа с углеродом, в которых более 2,14 % С называют чугунами. Стали по структуре в равновесном состоянии делятся на три группы. Доэвтектоидные, содержащие 0,025 0,8 % углерода. Структура этих сталей состоит из феррита светлые зерна, и перлита темные зерна (см. рис. 10). Эвтектоидные, содержащие 0,8 % углерода. Структура этих сталей представляет перлит (см. рис. 8, 9).

13 Заэвтектоидные, содержащие от 0,8 до 2,0 % углерода. Структура этих сталей состоит из перлита и вторичного цементита (см. рис. 11). Чугуны по структуре в равновесном состоянии делятся на следующие группы. Доэвтектические, содержащие 2,14 4,3 % углерода. Структура их состоит из превращенного ледебурита, перлита и вторичного цементита (см. рис. 14). Эвтектические 4,3 % углерода. Структура превращенный ледебурит (см. рис. 13). Заэвтектические более 4,3 % углерода. Структура превращенный ледебурит и первичный цементит (см. рис. 15). 4. Фазовые и структурные превращения в сталях Кристаллизация сталей Структура стали при нормальной температуре определяется фазовыми и структурными превращениями, происходящими при охлаждении сплава из жидкого состояния. Первичная кристаллизация сплавов в отличие от чистых металлов протекает в интервале температур между линиями ликвидуса (линия АВСD) и солидуса (линия АНJECF). Сплавы, содержащие от 0,1 % (точка Н) до 0,5 % (точка В) углерода, испытывают перитектическое превращение. В них кристаллизация начинается с образования из жидкой фазы δ-феррита. Сплавы, имеющие содержание углерода менее 0,1 % (т. Н), не испытывают перитектического превращения (см. рис 1). Сплавы с содержанием углерода от 0,5 % (точка В) до 2,14 % (точка Е) кристаллизуются при охлаждении между линиями ВС и JE (см. рис. 1). Ниже линии ВС сплавы состоят из жидкой фазы и аустенита. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус (ВС), а аустенита по линии солидуса (JЕ). После затвердевания (ниже линии JE) сплавы получают однородную структуру аустенит. Первичные кристаллы аустенита и δ-феррита, выделившиеся из жидкой фазы, имеют вид дендритов. 13

14 Фазовые и структурные изменения после затвердевания (вторичная кристаллизация) Превращения в техническом железе при охлаждении из однофазной аустенитной области Если углерода меньше 0,006 %, как в сплаве I (см. рис. 5), то при охлаждении в некотором интервале температур для точек 1 2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит. t I II t I II G Аустенит Аустенит 1 1 A Ф 2 A Ф 2 феррит 2 Феррит 3 р 3 Ф Ц 111 Феррит цементит Q 0,006 0,02 % С τ Рис. 5. Часть диаграммы состояния Fe-Fe 3 C и кривые охлаждения для сплавов с содержанием углерода до 0,02 % Однофазная ферритная структура (см. рис. 6, а) сохраняется вплоть до комнатной температуры. При содержании в техническом железе углерода больше чем 0,006 %, например, как в сплаве II (см. рис. 6, б) после образования феррита, начиная с температуры точки 3, происходит выделение кристаллов третичного цементита из феррита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите по линии РQ. Конечная структура будет двухфазной: феррит 14

15 и третичный цементит, причем, цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных зерен (см. рис. 6, б). а б Ц 111 Ф Рис. 6. Микроструктура технического железа: а углерода менее 0,006 %; б углерода более 0,006 % Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность железа и его магнитные свойства, а именно, снижает магнитную проницаемость и увеличивает коэрцитивную силу. Третичный цементит присутствует при комнатных температурах во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,006 % С. Однако его роль в формировании свойств в сплавах с содержанием углерода более 0,006 0,10 % невелика, поэтому при рассмотрении структуры таких сплавов о третичном цементите упоминать не будем. Превращения в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области Структура эвтектоидной стали Сплав II эвтектоидная сталь с содержанием 0,8 % С (рис. 7). В нем при температуре 727 о С (линия РSК) происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита образуется перлит (на диаграмме см. рис. 1 обозначается П) механическая смесь феррита концентрации 0,02 % С и цементита Fe 3 C (рис. 8). Это превращение идет при постоянной температуре и постоянной концентрации фаз. Аустенит наследует свойства γ-fe и поэтому при охлаждении ниже линии GS он превращается в α-fe, а избыток углерода расходуется на образование цементита. 15

16 t Аустенит + феррит Феррит G a p t I II III Е I II III Аустенит 1 А Ц 11 1 Аустенит + A Ф А 3 (Ф р + Ц к ) b c цементит 2 S 2 K Феррит + перлит Перлит Перлит + цементит 0,8 2,14 % С τ Рис. 7. Часть диаграммы состояния Fe Fe 3 C и кривые охлаждения сплавов, испытывающих эвтектоидное превращение а б П пластичный Граница зерен Рис. 8. Структура эвтектоидной стали: а микроструктура пластинчатого перлита; б схематическое изображение пластинчатого перлита В зависимости от формы выделений цементита перлит может быть пластинчатым, либо зернистым. Обычно при охлаждении в сталях и чугунах образуется пластинчатый перлит. Он состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита (рис. 9, а). Перлит зернистый получается при специальных видах отжига, например, путем выдержки стали при температуре близкой к 727 о С во время маятникового отжига (рис. 9, б). При рассмотрении микроструктуры сплавов с малыми увеличениями перлит пластинчатый (рис. 8, а) выглядит темным из-за те- 16

17 невого эффекта выступающих на поверхности шлифа пластинок цементита. При зарисовке микроструктуры сплава зерна пластинчатого перлита штрихуются (см. рис. 8, б). Перлит зернистый более светлый и имеет округлую сферическую форму включений цементита (рис. 9, б). Обладает более низкой твердостью, лучше обрабатывается резанием. Структура доэвтектоидной стали Сплав I доэвтектоидная сталь с содержанием углерода менее 0,8 %, но более 0,02 % С. Эвтектоидному превращению в таких сталях предшествует выделение феррита из аустенита в интервале температур точек 1 2 (см. рис. 7). С увеличением содержания углерода в стали температура превращения аустенита в феррит снижается по линии GS. Превращение проходит в интервале температур между линиями GS и PQ. Феррит образуется в виде зародышей по границам зерен аустенита. По мере роста зерен феррита количество аустенита уменьшается, а содержание углерода в нем увеличивается. С понижением температуры между точками 1 2 содержание углерода в аустените изменяется по линии GS до 0,8 % С, а в феррите по линии GP до 0,02 % С. а б Рис. 9. Микроструктура перлита при большом увеличении: а пластинчатого; б зернистого после сфероидезирующего отжига стали 17

18 а б в П Граница зерна Ф Рис. 10. Микроструктура доэвтектоидной стали: а схематическое изображение; б вид микрошлифа среднеуглеродистой доэвтектоидной стали 0,5 % С; в вид микрошлифа низкоуглеродистой доэвтектоидной стали 0,2 % С При температуре точки 2 (см. рис. 7) сплав имеет фазовый состав А S + Ф Р с количественным соотношением фаз А S /Ф Р = Р2/2S. В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали феррит + перлит. В микрошлифах феррит светлые зерна, перлит темные зерна (рис. 10, а, б, в). Количественное соотношение между ферритом и перлитом в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. Для определения количественного соотношения фаз, находящихся в равновесии при любой температуре двухфазной области GPS, используют правило отрезков (рычага): через точку соответствующую процентному содержанию углерода в сплаве проводят перпендикуляр к горизонтальной оси (оси концентраций компонентов). Затем через заданную температуру проводят прямую (коноду) параллельную горизонтальной оси до пересечения с границами фаз линиями GS и GP. Количество фазы равняется отношению длины отрезка, расположенного противоположно к искомой фазе, к длине коноды между линиями GS и GP, умноженному на 100 %. Например, при температуре, соответствующей коноде аьс (см. рис. 7) содержание углерода в аустените соответствует точке с, а в феррите точке а. Количество феррита % Ф а = (Ьс/аc) 100 %. (4) Количество аустенита % А с = (аь/ac) 100 %. (5) 18

19 По структуре стали в равновесном состоянии можно определить содержание в ней углерода. Для этого составляют пропорцию, считая, что сталь с концентрацией 0,8 % С в равновесном состоянии содержит 100 % перлита. Например, определим содержание углерода в стали, в которой 50 % площади шлифа занято перлитом, остальные 50 % ферритом. Составляем пропорцию: 100 % П 0,8 % С, 50 % П х % С Для стали с 50 % перлита содержание углерода в соответствии с формулой (6) будет равным 0,40 %: С % = 0,8 50 / 100 = 0,40 %. (6) Поскольку второй сомножитель в формуле (6) это доля перлита (П), то формула для определения содержания углерода в стали имеет следующий общий вид: % С = 0,8 х П. (7) Из расчета получили, что содержание углерода в стали 0,40 %. Такое количество углерода соответствует стали марки 40 (ГОСТ ). Структура заэвтектоидной стали Сплав III заэвтектоидная сталь (0,8 2,14 % С). Эвтектоидному превращению в этих сталях предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (Ц II ) в интервале температур точек 1 2 (см. рис. 7). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените при понижении температуры по линии ES. В результате, при охлаждении до температуры точки 2 содержание углерода в аустените уменьшается по линии ES до 0,8 % и при 727 о С (линия РSК) происходит эвтектоидное превращение. Конечная структура заэвтектоидной стали перлит и вторичный цементит. При медленном охлаждении сплава III вторичный цементит выделяется по границам аустенитных зерен, образуя светлую сетку, или в виде светлых игл (пластин) внутри аустенитного зерна (рис. 11). 19

20 а б П Граница зерна Ц II Рис. 11. Микроструктура заэвтектоидной стали: а вид микрошлифа стали; б схематическое изображение структуры С повышением содержания углерода в заэвтектоидных сталях увеличивается количество вторичного цементита. Максимальное количество вторичного цементита

20 %. Критические точки на диаграмме состояния железо цементит Температуры равновесных превращений, соответствующих линиям диаграммы Fe-Fe 3 C, называются критическими точками и обозначаются буквой А с соответствующим индексом (табл. 2). Таблица 2 Критические точки превращений на диаграмме Fe-Fe 3 C Критическая точка Линия на диаграмме Тип превращения Обозначение нагрев охлаждение А 1 РSК (727 о С) эвтектоидное γ П Ас 1 Аr 1 А 2 МО (768 о С) магнитное А 3 GS полиморфное γ α Ас 3 Аr 3 А 4 NJ полиморфное γ δ Ас 4 Аr 4 А сm ES выделение или растворение цементита в аустените Ас cm Аr cm 20

21 5. Фазовые и структурные превращения в белых чугунах Чугуны находят широкое применение в машиностроении в качестве литейного материала. Они обладают более низкими механическими свойствами, чем стали, но более дешевые. Имеют хорошие технологические и эксплуатационные свойства: высокую жидкотекучесть, малую линейную усадку, хорошую обрабатываемость резанием, высокую износостойкость и антифрикционную стойкость. Чугунные изделия получают методом литья. В зависимости от того, в каком состоянии находится углерод, чугуны подразделяются на две группы: 1) белые чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe 3 C. Излом таких чугунов имеет белый цвет и характерный блеск. 2) серые чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в свободном состоянии в виде графита. Излом таких чугунов темносерый из-за графита. Структура белых чугунов соответствует диаграмме равновесного состояния железо цементит и характеризуется наличием ледебурита в соответствии с эвтектическим превращением (см. формулу 2). Белые чугуны в зависимости от содержания углерода и структуры подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Ф t А Ф+А P S I Ж 1 Ж+A 2 Е А+Ц II III 1 Ж+Ц 2 С F K Ф+Ц L 0,8 2,14 4,3 6,61 С,% t D I II III Ж Ц I Ж А А Ц II Ж А E +Ц F А Ц II А s (Ф р + Ц к ) τ Рис. 12. Часть диаграммы состояния Fe Fe 3 C для высокоуглеродистых сплавов 21

22 Структура эвтектического белого чугуна Сплав II (рис. 12) эвтектический белый чугун (4,3 % С) кристаллизуется при эвтектической температуре (1147 о С) с образованием ледебурита (аустенита состава точки Е и эвтектического цементита). Фазовый состав ледебурита постоянен и определяется соотношением отрезков: Ц F /А Е = ЕС/СF. (8) При дальнейшем охлаждении сплава концентрация углерода в аустените уменьшается по линии ЕS и к температуре эвтектоидного превращения принимает значение 0,8 %. При температуре линии РSК аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение (см. формулу 3), в результате которого превращается в перлит. При комнатной температуре ледебурит представляет собой уже смесь перлита и цементита. Такой ледебурит называют превращенным. Конечная структура сплава превращенный ледебурит (цементит эвтектический + перлит) (рис. 13). а б Ледебурит (П + Ц) Рис. 13. Микроструктура белого эвтектического чугуна: а схематическое изображение; б вид микрошлифа Превращенный ледебурит обладает большой твердостью (НВ > 600), но он хрупкий. Присутствие ледебурита в структуре сплавов делает их не способными к обработке давлением и затрудняет обработку резанием. 22 Структура доэвтектического белого чугуна В доэвтектических белых чугунах (С < 4,3 %) кристаллизация сплава начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. В сплаве I (см. рис. 12) этот процесс идет в интервале температур точек 1 2. При этом состав жидкой фазы изменяется по линии ВС, а аустенита по линии JE. При температуре точки 2 сплав приобретает фазовый состав Ж С + А Е. Количественное соотношение фаз определяется отношением отрезков Е2 и 2С.

23 При температуре точки 2 жидкая часть сплава, достигнув предельной концентрации 4,3 % С, превращается в ледебурит. При последующем охлаждении из аустенита как структурно свободного, образовавшегося в интервале точек 1 2, так и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит. Обедненный вследствие этого аустенит при температуре точки 3 превращается в перлит. Таким образом, доэвтектические чугуны после окончательного охлаждения имеют следующую структуру: перлит, превращенный ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит. Структура доэвтектического белого чугуна показана на рис. 14. Крупные темные поля на фоне превращенного ледебурита являются перлитом, образовавшимся из структурно свободного аустенита. Внутри глобулярного перлита часто наблюдаются светлые пластины вторичного цементита. а б Ледебурит (П + Ц) Цементит втор. Перлит Рис. 14. Микроструктура белого доэвтектического чугуна: а схематическое изображение; б вид микрошлифа Структура заэвтектического белого чугуна Сплав III заэвтектический белый чугун (С > 4,3 %). В заэвтектических чугунах кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов первичного цементита. В сплаве III цементит выделяется в интервале температур точек 1 2 (см. рис. 12), при этом состав жидкой фазы изменяется по линии DC. Первичная кристаллизация заканчивается эвтектическим превращением с образованием ледебурита. При дальнейшем охлаждении происходят превращения в твердом состоянии такие же, как в сплаве II. Конечная структура заэвтектического чугуна показана на рис. 15 и представляет собой пластины первичного цементита на фоне превращенного ледебурита. 23

24 а б Ледебурит (П +Ц) Цементит перв. Рис. 15. Микроструктура заэвтектического белого чугуна: а схематическое изображение; б вид микрошлифа Свойства белых чугунов Из-за большого количества цементита белые чугуны имеют очень высокую твердость и износостойкость, хрупки и плохо поддаются механической обработке режущим инструментом. Поэтому чисто белые чугуны в машиностроении используются редко, они обычно идут на передел в сталь или используются для получения ковкого чугуна. Ограниченное применение находят чугунные отливки с отбеленной поверхностью: прокатные валки, лемехи плугов, шары мельниц, тормозные колодки и другие детали, работающие в условиях износа. 6. Превращения в сплавах системы железо графит Диаграмма состояния железо графит (углерод) нанесена на диаграмму состояния железо цементит пунктирными линиями (рис. 16). Такой способ изображения дает возможность сравнивать обе диаграммы (Fe-Fe 3 C) и (Fe-C). Чтение диаграммы состояния железо графит принципиально не отличается от чтения диаграммы состояния железо цементит. Но во всех случаях из сплавов при охлаждении выпадает не цементит, а графит. При температуре 1153 С (т. С' ) образуется графитная эвтектика. Она содержит 4,26 % С, состоит из аустенита и графита. При температуре 738 С образуется графитовый эвтектоид. Он содержит 0,7 % С (т. S') и состоит из феррита и графита. В интервале температур С из аустенита выпадает вторичный графит. При этом аустенит изменяет свой состав по линии Е' S'. 24

25 t, С J В D' D E' C' 1153 F' G E C 1147 F S' 738 K' P S 727 K Fe 0,7 0,8 2,0 2,14 4,26 4,3 6,67 С, % Рис. 16. Диаграмма состояния Fe C Первичный графит и графит в эвтектике кристаллизуются путем образования зародышей и последующего их роста. При этом кристаллы графита имеют сложную форму в виде лепестков, выходящих из одного центра. Вторичный графит (ниже линии Е' S') и графит эвтектоида, как правило, выделяются на лепестках первичного и эвтектического графита. 7. Характерные особенности серых чугунов Отличительной особенностью этих чугунов является наличие в структуре графита. Образование графита (графитизация) определяется химическим составом чугуна и скоростью охлаждения отливки. Для получения этой группы чугунов используют доэвтектические чугуны с содержанием углерода 2,4 3,8 %. Обязательным химическим компонентом является кремний (графитизатор) 1 4 %. Углерод и кремний снижают устойчивость цементита Fe 3 C и способствуют его распаду на железо и графит. Чем больше углерода в чугуне, тем меньше кремния требуется для его полной графитизации. 25

26 Скорость охлаждения отливки определяется её сечением. Чем больше толщина отливки, тем меньше скорость охлаждения, тем больше в структуре графита. Поверхностные слои отливок, охлажденные с повышенной скоростью, могут иметь структуру белого чугуна, а сердцевина структуру серого чугуна. Такой процесс называют отбеливанием. Включения графита снижают прочность чугунов при растяжении, но не оказывают существенного влияния на прочность при сжатии. Свободный графит заметно снижает модуль упругости. Вместе с тем его наличие определяет ряд преимуществ перед сталью: обеспечивает лучшую обрабатываемость резанием за счет образования сыпучей стружки; чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами (износостойкостью) благодаря смазывающему действию графита; наличие графитовых включений обеспечивает высокие демпфирующие свойства гашение вибраций; чугун практически нечувствителен к поверхностным дефектам, в частности, к надрезам. 8. Классификация серых чугунов Структура этих чугунов состоит из графита и металлической основы. На рис. 17,18,19 схематично изображены структуры разных видов. В зависимости от формы графитовых включений эти чугуны подразделяют на три вида чугунов: серые, высокопрочные, ковкие. При изучении формы выделений графита с помощью растрового микроскопа выявили объемный вид частиц графита (рис. 17, б;18, б;19, б). Серые чугуны, имеют выделения графита в виде изогнутых пластинок, прожилок, чешуек (см. рис. 17, а, б). а б Рис. 17. Вид нетравленого микрошлифа серого чугуна: а с пластинчатым графитом; б объемный вид выделений графита 26

27 Высокопрочные чугуны имеют шаровидную форму включений графита (см. рис. 18, а, б). а б Рис. 18. Вид нетравленого микрошлифа высокопрочного чугуна: а с шаровидным графитом; б объемный вид выделений шаровидного графита Ковкие чугуны имеют хлопьевидную форму включений графита (см. рис. 19, а, б). а б Рис. 19. Вид нетравленого микрошлифа ковкого чугуна: а с хлопьевидным графитом; б объемный вид выделений хлопьевидного графита В зависимости от полноты протекания образования графита меняется вид металлической основы чугуна. По структуре металлической основы (рис. 20) чугуны классифицируются: на ферритные со структурой феррита и графита (количество связанного углерода менее 0,02 % С); феррито-перлитные со структурой феррита, перлита и графита (количество связанного углерода от 0,02 до 0,8 % С); перлитные со структурой перлита и графита (количество связанного углерода 0,8 % С). 27

28 Металлическая основа Виды чугунов Серый Ковкий Высокопрочный Феррит Феррит + перлит Перлит Рис. 20. Схематическое изображение микроструктур чугунов с различной основой Каждый вид чугуна может иметь три различные металлические матрицы (Ф, Ф+П, П). При одинаковой форме графита наибольшей прочностью и износостойкостью обладают чугуны на перлитной основе Обозначения серых чугунов Серые чугуны (ГОСТ ). Пластинчатые включения графита в серых чугунах можно рассматривать как трещины и надрезы, создающие большие концентраторы напряжений в металлической основе. Относительное удлинение серых чугунов при растяжении очень мало, приблизительно равно 0,5 %. ГОСТ предусматривает использование следующих марок чугунов: СЧ10; СЧ15; СЧ20; СЧ25; СЧ30; СЧ35. По требованию потребителя допускается применение марок СЧ18; СЧ21; СЧ24. Условное обозначение включает буквы СЧ серый чугун и цифры, соответствующие минимальному временному сопротивлению при растяжении σ в 10-1 МПа. Например, СЧ10: СЧ серый чугун, временное сопротивление при растяжении σ в не менее 100 МПа. Ферритные и феррито-перлитные чугуны (СЧ10, СЧ15, СЧ18) используются для малоответственных деталей, испытывающих не-

29 большие нагрузки в работе, с толщиной стенки отливки мм. Из этих чугунов изготовляют блоки цилиндров и компрессоров, санитарно-техническое тонкостенное литьё (4 8 мм), секции отопительных радиаторов, купальные ванны, трубы, раковины. Перлитные чугуны (СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35) применяют для ответственных отливок в тракторо- и автомобилестроении при изготовлении нажимных дисков сцепления, маховиков, тормозных барабанов, картеров, поршневых пальцев, цилиндровых втулок, поршней цилиндров, крышек и головок цилиндров, гильз. В станкостроении серый чугун является основным материалом для станин станков, столов, верхних салазок, шпиндельных бабок. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ГОСТ ) получают путем двойного модифицирования низкосернистого (не более 0,02 % S) чугуна. Модифицирование осуществляется следующим образом: вначале перед разливкой добавляют в жидкий чугун магний (сфероидизатор графита) в количестве 0,03 0,07 % от веса чугуна, затем вводят ферросилиций для устранения отбела, так как магний стабилизирует цементит. Шаровидная (глобулярная) форма графита не так сильно ослабляет металлическую основу как пластинчатая, и обеспечивает высокие механические свойства чугуна (прочность на растяжение и пластичность). Маркируются высокопрочные чугуны буквами ВЧ с последующими цифрами, показывающими минимальное временное сопротивление при растяжении в 10-1 МПа. Например, ВЧ 35 буквы ВЧ означают высокопрочный чугун, цифры временное сопротивление при растяжении (σ в ) не менее 350 МПа. В зависимости от металлической основы высокопрочные чугуны могут быть ферритными (ВЧ 35, ВЧ 40), перлитно-ферритными (ВЧ 45, ВЧ 50), перлитными (ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80) и бейнитными (ВЧ 100). Высокопрочные чугуны ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100 применяются для изготовления поршневых колец, коленчатых и распределительных валов. Для повышения износостойкости деталей, изготовленных из указанных чугунов, применяется азотирование, азотирование с последующей обдувкой дробью или объемная закалка на мартенсит с высоким отпуском. Ковкие чугуны (ГОСТ ) получают путем специального графитизирующего отжига (томления) белых доэвтектических чугунов, содержащих от 2,2 до 3,0 % С. 29

30 Вначале получают отливки из белого чугуна. В связи с тем, что отливки после кристаллизации должны иметь структуру белого чугуна (ледебурит Л + перлит П + вторичный цементит Ц II ), суммарное содержание углерода и кремния в чугуне должно быть низким (не более 3,8 %), а толщина отливок небольшой (не более 50 мм). Затем отливки из белого чугуна отжигают, при этом происходит разложение цементита и образование хлопьевидного (компактного) графита. Отжиг белого чугуна основан на метастабильности (временной устойчивости) цементита и обычно ведется по графику, показанному на рис. 21. Различают ферритный и перлитный ковкие чугуны. t А +Ц А +ХГ C П + Л(П +Ц) + Ц II 690 C 650 C П +ХГ Пзерн + ХГ Ф + ХГ τ Рис. 21. График отжига белого чугуна для получения ковкого чугуна Графитизирующий отжиг состоит обычно из двух стадий. Первую стадию проводят при температуре С. При нагреве до этих температур перлит превращается в аустенит и структура становится двухфазной (А + Ц). Длительность первой стадии отжига (20 50 часов) подбирается в каждом конкретном случае такой, чтобы весь эвтектический цементит, входящий в состав ледебурита, распался на хлопьевидный графит (ХГ). Металлическая основа чугуна формируется на второй стадии отжига. В случае непрерывного охлаждения отливки на воздухе или в печи, в области эвтектоидной температуры аустенит превращается в перлит пластинчатый. Получается ковкий чугун с перлитной металлической основой и хлопьевидным графитом (П+ХГ). 30

31 Перлитный ковкий чугун обладает высокой твердостью ( НВ) и прочностью (σ в = МПа) в сочетании с небольшой пластичностью (δ = 3,0 1,5 %). Он применяется для изготовления тормозных колодок, муфт, звеньев цепей. Для повышения пластичности при сохранении достаточно высокой прочности проводится непродолжительная (2 4 часа) изотермическая выдержка или замедленное охлаждение в диапазоне температур С. Это вторая стадия отжига, представляющая собой в данном случае отжиг на зернистый перлит. Перлит пластинчатый переходит в перлит зернистый путем сфероидизации пластин цементита. Ферритный ковкий чугун получают при очень медленном охлаждении в интервале температур о С, или в процессе изотермической выдержки при о С, как показано на рис. 21. При этом происходит распад цементита, входящего в состав перлита. Окончательная структура ферритного ковкого чугуна феррит и хлопьевидный графит (Ф + ХГ). Ферритные ковкие чугуны характеризуются высокой пластичностью (δ =10 12 %) и небольшой прочностью (σ = МПа). в Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ ковкий чугун и цифрами. Первые две цифры в обозначении марки соответствуют минимальному временному сопротивлению при разрыве (σ в 10-1 МПа), цифры после тире относительному удлинению (δ). Например, КЧ 30-6: КЧ ковкий чугун, временное сопротивление разрыву 300 МПа; относительное удлинение 6 %. Применяются следующие марки ковкого чугуна ферритного класса КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10, КЧ 37-2 и перлитного класса КЧ 45-7, КЧ 50-3, КЧ 55-4, КЧ 60-3, КЧ 65-3, КЧ 70-2, КЧ 80-1,5. Перечень литых деталей, изготавливаемых из КЧ разнообразен: это всевозможные картеры, ступицы колес, тормозные барабаны, педали, кронштейны, пробки, гайки, коленчатые валы. Легированные чугуны (ГОСТ ). Это чугуны, в расплав которых вводятся легирующие элементы (Сr, Si, Al, Mn, Ni, Mo, V, Cи). Жаростойкие: ЧХ1 (холодильные плиты доменных печей, кокили, стеклоформы), ЧС5Ш (газовые сопла); ЧЮХШ (ролики чистовых клетей листопрокатных станов). Износостойкие: ЧХ22, ЧХ3Т, ЧН4Х2, ЧГ7Х4 (мелющие детали угле и рудоразмольных машин). 31

32 Жаропрочные: ЧН19Х3Ш, ЧН15Д7, ЧН20Д2Ш (головки поршней, седла и направляющие втулки клапанов, выхлопные коллекторы). Коррозионностойкие и жаростойкие: ЧХ28 (печная арматура, сопла горелок). В маркировке легированных чугунов буквы означают: Ч чугун; далее легирующие элементы (Х хром; С кремний, Г марганец, Н никель, Д медь, Ю алюминий); буква Ш графит шаровидной формы; цифры, стоящие после букв массовую долю легирующего элемента в процентах. Антифрикционные чугуны для литых изделий (ГОСТ ). Работают в узлах трения в паре с закаленным или нормализованным валом: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-4, АЧВ-1, АЧК-1; для работы с термически необработанным валом: АЧС-3, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2. В обозначении АЧ антифрикционный чугун, С серый, В высокопрочный, К ковкий, цифра порядковый номер марки. Антифрикционные чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазочного материала. Эти чугуны должны иметь малый коэффициент трения. Недостатками этих чугунов являются хрупкость и высокая твердость, исключающая возможность самоприработки, чувствительность к перекосам, приводящая к выкрашиванию краев подшипника. Библиографический список 1. Лахтин Ю. М. Материаловедение : учеб. для вузов / Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, с. 2. Гуляев А. П. Металловедение : учеб. для вузов / А. П. Гуляев 7-е., перераб. и доп. Альянс, с. 3. Бабенко Э. Г. Материалы на железнодорожном транспорте : учеб. пособие / Бабенко Э. Г., Лукьянчук А. В. М. : ФГБОУ «Учебнометодический центр по образованию на железнодорожном транспорте», с. 32