Кристаллизация сталей

.

Общее количество аустенита  в сплаве при данной температуре 81 %, из них первичных зерен аустенита, выделившегося из расплава 60,2 %, соответственно, в ледебурите содержится 81 %-60,2 %=20,8 % аустенита и в результате получаем: 60,2 % γ + (20,8 % γ +19 % Fе₃С).

Так как аустенит имеет  максимальное содержание углерода (2,14%), при последующем охлаждении сплава из аустенита непрерывно выделяется вторичный цементит. Количество аустенита уменьшается, а количество цементита увеличивается. С понижением температуры концентрация углерода в аустените уменьшается согласно ходу линии ЕS. При подходе к линии РSК (точка n) сплав состоит из аустенита состава точки S - (γ_S) и Fе₃С (фазовый состав). Теперь:

;

.

Структурные составляющие – аустенит, вторичный цементит и ледебурит. За счет выделения вторичного цементита общее количество цементитной фазы увеличилось на 18,5 %. Общее выражение принимает вид:

46,5 % γ_I + 18,5 % (Fe₃C)_II + (16 % γ + 19 % Fe₃C)_{ледебурит}.

На линии PSK (в точке п) в сплаве происходит эвтектоидное превращение с образованием перлита:

+ .

Ниже PSK:

.

Важно понимать, что перлитное превращение испытали зерна аустенита, выделившегося из жидкой фазы (от а до b), а также зерна аустенита, входившего в эвтектическую смесь (ледебурит). Поэтому структурные составляющие доэвтектического белого чугуна будут представлены так: перлит + вторичный цементит + превращенный ледебурит. Фазовыми составляющими сплава (в точке р) будут феррит и цементит, как и в сталях, но только в других количественных соотношениях.

Общее количество цементита увеличилось  на 44,8 %-37,5 %=7,3 % - это цементит из перлита, т.е.:

44, 8% Fe₃C = 19 % (Fe₃C)_{ледебурит} +18,5 % (Fe₃C)_II + 7,3 % (Fe₃C)_перлит.

При комнатной температуре:

(41,1 % a+5,4 % Fe₃C)_перл. +((14,1 % a+1,9 % Fe₃C)_перл.+                                   19 % Fe₃C)_{превр.ледеб.}+18,5 % Fe₃C_II.

Структура белого доэвтектического чугуна представлена на рис. 9. В этом сплаве первым кристаллизовался из жидкой фазы аустенит, бывшие зерна которого (темного цвета) видны на фоне эвтектики (ледебурит). Здесь важно понимать, что как первичный аустенит, выделившийся из жидкой фазы, так и участки аустенита, входящего в ледебурит, претерпели при своем охлаждении процессы дальнейших превращений. Следовательно, из аустенита выделялся вторичный цементит, который чаще всего присоединяется к ледебуритному, и наконец, зерна первичного аустенита и аустенит из ледебурита превратились в перлит.

Эвтектический белый чугун (4,3 % С) на линии ECF кристаллизуется сразу с образование ледебурита:

.

 

 

Рис. 9. Микроструктура белого доэвтектического чугуна

 

При дальнейшем охлаждении сплава из аустенита выделяется вторичный цементит, а на линии PSK происходит перлитное превращение:

+ .

При комнатной температуре  фазовые составляющие – феррит и  цементит, структурные составляющие – превращенный ледебурит, вторичный  цементит и перлит. Типичная структура белого эвтектического чугуна приведена на рис. 10.

 

Рис. 10. Микроструктура белого эвтектического чугуна

 

Сплав 8 (5,5 % С). Чугун с 5,5 % С является заэвтектическим. Его кристаллизация начнется на линии ликвидуса DС в точке l с выделения цементита, называемого первичным. Выделение цементита продолжается до точки k и жидкая фаза, обедняясь углеродом, становится по составу соответствующей эвтектической точке С. Чуть выше ЕСF:

.

 

На линии ЕСF происходит образование ледебурита по известной реакции:

.

Ниже точки k сплав состоит из двух фаз: γ_Е и Fе₃С:

.

Таким образом, получаем:

50,6 % Fе₃С_I +(25,8 % a + 23,6 % Fе₃С)_{ледебурит}.

Структурные составляющие - первичный цементит и ледебурит. Вся аустенитная фаза сплава является составляющей ледебурита. При понижении температуры аустенит, обедняясь углеродом, выделяет вторичный цементит по линии ES. Перед линией РSК:

.

Общее выражение:

50,6 % Fе₃С_I +5,9 % Fе₃С_II +(19,9 % γ + 23,6 % Fе₃С)_{ледебурит}.

Структурные составляющие - первичный и вторичные цементит и ледебурит. Наконец, на линии РSК (в точке m) превращается в перлит.

+ .

После перлитного превращения:

19,9% γ – 17,6% a =2,3% Fе₃С.

Общее выражение:

50,6 % Fе₃С_I +5,9 % Fе₃С_II +((17,6 % a +2,3 % Fе₃С)_перлит + 23,6 % Fе₃С)_{ледебурит}.

Таким образом, структурные составляющие заэвтектического чугуна представлены как цементит первичный, вторичный, превращенный ледебурит и перлит. Фазовыми же составляющими сплава будут (в точке d ) опять таки феррит и цементит. Типичная структура белого заэвтектического белого чугуна представлена на рис. 11. Основное поле ледебурита пронизывают крупные, прямолинейные выделения первичного цементита, выделившегося из жидкой фазы.

 

 

Рис. 11. Микроструктура белого заэвтектического чугуна

 

Характеризуя структурные  составляющие доэвтектического и заэвтектического чугунов, эвтектику, имеющуюся в них, можно называть просто ледебуритом без слова «превращенный», учитывая большое структурное сходство истинного и превращенного ледебурита. Нужно иметь в виду, что в состав истинного ледебурита в момент его образования входит аустенит, максимально насыщенный углеродом, при комнатной температуре аустенит оказывается превратившимся в перлит.

Выше рассмотрены фазовые  превращения, фазовые и структурные  составляющие всех сплавов по диаграмме состояния системы железо - цементит. Оказалось, что стали и чугуны при комнатной температуре после всех превращений состоят из смеси двух фаз: мягкого и пластичного феррита и очень твердого и хрупкого цементита в различных количествах и структурных сочетаниях.

Еще раз напомним, что  при разборе процессов фазовых превращений, протекающих по равновесной диаграмме состояния железо - цементит, заранее сделали оговорку, что разбор этих превращений будем вести в идеальных условиях, т. е. при максимальном приближении к полному физико-химическому равновесию.

 

3. Система железо – графит (Fe – Cгр)

 

Рассмотрим теперь диаграмму состояния системы железо - графит (рис. 12). На рис. 1 была показана диаграмма железо – углерод в двойном варианте со сплошными и пунктирными линиями. Рис. 12 дает представление о том, какие линии образуют диаграмму состояния системы железо - графит.

Необходимо отметить, что фазовые превращения при  наличии графита происходят при  более высоких температурах, чем  аналогичные им превращения при  наличии цементита (пунктирные линии  диаграммы находятся выше соответствующих  сплошных). Критические точки С', Е', S' отвечают меньшему содержанию углерода, чем аналогичные точки С, Е , S  цементитной диаграммы (точки С', Е', S' сдвинуты влево). Это объясняется большей стабильностью графита по сравнению с цементитом.

Фазы, формирующиеся в  различных сплавах, указаны в соответствующих областях диаграммы (см. рис. 12). Во всех случаях, когда в цементитной диаграмме была фаза Fе₃С, она везде заменена на фазу «графит», С_гр.

 

Рис. 12. Диаграмма состояния системы железо - графит.

 

Данные о новом положении некоторых точек приведены в табл. 4, а значения пунктирных линий - в табл. 5.

 

Таблица 4

 

Узловые точки диаграммы состояния системы Fе - С_гр

 

Точка	Температура, °С	Концентра-ция углерода, %	Значение точки
С'	1153	4,26	Жидкая фаза, испытывающая эвтектическое превращение
D'	~3500	100	Плавление (кристаллизация) графита
Е'	1153	2,11	Аустенит, предельно насыщенный углеродом
S'	738	0,7	Аустенит, испытывающий эвтектоидное превращение

 

Таблица 5

 

Значение пунктирных линий в диаграмме состояния Fе - С_гр

 

 

Линия

Значение линии

С' D' Е' С'F' Е' S'       P' S'K' Q' P'

Ликвидус для графита (первичного) Эвтектическое превращение:  Lс, → ( γЕ,+ Сгр) Линия предельной растворимости  углерода в γ - Fе, находящемся в равновесии с графитом. Начало выделения графита (вторичного) из аустенита при охлаждении Эвтектоидное превращение: γS' → ( γP'+ Сгр) Линия предельной растворимости  углерода в α - Fе, находящемся в равновесии с графитом. Начало выделения графита (третичного) из феррита при охлаждении

 

Характер превращений  при охлаждении железо-графитных сплавов остается таким же, как и при охлаждении железо-цементитных сплавов.

Далее будут рассмотрены условия, способствующие кристаллизации железоуглеродистых сплавов по диаграмме системы железо - цементит или железо - графит.

 

3.1. Чугуны

 

Чугунами называют высокоуглеродистые сплавы, в которых при охлаждении происходит эвтектическое превращение. Если судить по диаграмме состояния чистых двойных сплавов железа с углеродом, то к чугунам должны быть отнесены сплавы, содержащие более 2,14 % углерода (правее точек Е и Е¹). Наиболее широкое распространение получили чугуны с содержанием углерода 2,4…3,8 %. Чем выше содержание углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства, следовательно, количество углерода не должно превышать 3,8 %. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не менее 2,4 %.

Чугун отличается от стали: по составу – более высокое  содержание углерода и примесей; по технологическим свойствам –  более высокие литейные свойства, малая способность к пластической деформации, почти не используется в сварных конструкциях.

В зависимости от состояния  углерода в чугуне различают:

• белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск;
• серый чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8 % углерода. Из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет;
• половинчатый – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2 % углерода находится в форме цементита. Мало используется в технике.

Белый чугун обычно идет в переплавку на сталь. Намного чаще в машиностроении применяются чугуны, в которых весь углерод или большая его часть оказываются в свободном состоянии, т.е. в виде графита.

Не все изделия машиностроительной промышленности должны иметь механические свойства, которые может обеспечить только сталь. Применение чугуна нецелесообразно для изготовления деталей, несущих значительные растягивающие и ударные нагрузки; в других случаях чугунные отливки проявили себя как достаточно надежный конструкционный материал. Чугуны с графитом обладают рядом специфических положительных свойств:

• чугун имеет сравнительно низкую температуру плавления
• очень хорошие литейные свойства, обладает малой усадкой;
• графит улучшает обрабатываемость резанием, так как образуется ломкая стружка;
• чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, по сравнению со сталью, потому что графит впитывает смазку и сам играет роль смазки;
• из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость;
• детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, отверстия, переходы в сечениях);
• чугун значительно дешевле стали;
• производство изделий из чугуна литьем дешевле изготовления изделий из стальных заготовок обработкой резанием, а также литьем и обработкой давлением с последующей механической обработкой.

Графитная фаза чугунов  может иметь различную структурную  форму     (рис. 13). Находят применение три вида чугунов с графитом следующей формы: