Диаграмма Fe-C Диаграмма Fe-C — одна из важнейших

Диаграмма Fe-C Диаграмма Fe-C - одна из важнейших диаграмм состояния, так как по объему производства стали и чугуны составляют более 90% выплавляемого в стране металла. Целью данной работы является ознакомление с типичными структурами сталей и чугунов, формирующимися в процессе равновесной (медленной) кристаллизации, а также со структурами серого, ковкого и высокопрочного чугунов.

Критические точки диаграммы Fe-C Критические точки – это температуры, при которых происходят фазовые превращения. Они обозначаются: А1 – соответствует линии PSK, температуре эвтектоидного превращения А↔Ф+Ц; А3 - соответствует линии GOS, температуре аллотропического перехода γ-Fe↔α-Fe и А↔Ф; Аcm – соответствует линии SE, началу выделения (вторичного ) цементита из аустенита или концу его растворения в аустените А ↔Ц; А4 – соответствует высокотемпературному переходу δ-Fe↔γ-Fe А0 – (2110С) температура перехода цементита магнитного в парамагнитный и обратно; А2 - (768оС) соответствует линии МО, переходу ферромагнитного α-Fe в парамагнитное (точка Кюри). При нагреве и охлаждении критические точки смещаются относительно равновесного состояния (тепловой гистерезис), и, чтобы различать их, используется индекс с или r соответственно, например, АС1 при нагреве или Аr1 при охлаждении

СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА Наиболее распространенными сплавами на основе железа являются его сплавы с углеродом – техническое железо, стали и чугуны. В основе такого разделения лежит структурная диаграмма метастабильного равновесия системы Fe- Fe3C. Сплавы с концентрацией С < 0,04 масс. % называются техническим железом; с концентрацией 0,04…2,14 масс. % (соответствует точке Е - максимальной растворимости углерода в γ-железе) называются сталями, а сплавы с концентрацией С > 2,14 масс. %, содержащие эвтектику, - чугунами. Содержание углерода определяет различия в структуре и, соответственно, различия в механических, физико-химических и других свойствах сплавов, а следовательно, и в их применении.

Техническое железо (до 0,04% углерода) Структура сплава при 727оС с содержанием углерода до 0,025% представляет собой твердый раствор углерода в α-железе (α-феррит, в дальнейшем просто феррит), имеющий полиэдрическое (зернистое) строение, без избыточных выделений. При температуре ниже 727 оС происходит частичный распад феррита с образование второй фазы – цементита, который присутствует в структуре в относительно небольших количествах в виде третичного цементита. Третичный цементит выделяется из феррита при охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода в –железе и располагается главным образом по границам зерен феррита, что снижает пластичность и вязкость сплава.

Структура технического железа Светлые полиэдры твердого раствора феррита (Ф) и выделения избыточного цементита (Ц) по границам зерен. Структурные составляющие: феррит и цементит третичный (Ф+ЦIII). Фазы: феррит и цементит (Ф+Ц) Твердость 80…100 НВ х 300 х 100

СТАЛИ Сплавы с содержанием углерода в пределах 0,04…2,14% называются сталями. Структура стали и ее свойства зависят от содержания углерода, скорости охлаждения при кристаллизации и последующей термической обработки. Cтали подразделяют на доэвтектоидные и заэвтектоидные относительно эвтектоидного состава с 0,8% С. В первом случае образуется феррито-перлитная структура, а во втором случае - перлитно-цементитная, а при 0,8%С – перлитная.

Доэвтектоидная сталь Увеличение содержания углерода сверх 0,025% вызывает образование новой структурной составляющей – перлита. Перлит представляет собой физико-химическую смесь двух фаз: феррита и цементита. Количество перлита в доэвтектоидных сталях возрастает с увеличением содержания углерода и подчиняется правилу отрезков.

Структура низкоуглеродистой доэвтектоидной стали (0,2% углерода) Светлые (белые) участки твердого раствора феррита (Ф) и темные – перлита (П) пластинчатого строения. Хорошо видны границы ферритных зерен. Структурные составляющие: феррит и перлит (Ф+П). Фазы: феррит и цементит (Ф+Ц) Твердость 110…120 НВ х 300

Структура среднеуглеродистой доэвтектоидной стали марки 45 (0,45% углерода) С ростом содержания углерода увеличивается количество темной перлитной структурной составляющей. Структурные составляющие: феррит и перлит (Ф+П). Фазы: феррит и цементит (Ф+Ц) Твердость 140…160 НВ х 300

Структура доэвтектоидной стали с 0,6% углерода Основная структурная составляющая – пластинчатый перлит с небольшими участками феррита по границам бывших аустенитных зёрен. С ростом доли перлитной составляющей возрастает и общая твёрдость стали. Структурные составляющие: феррит и перлит (Ф+П). Фазы: феррит и цементит (Ф+Ц) Твердость 160…170 НВ х300

Эвтектоидная сталь В стали, содержащей 0,8% углерода, получается чисто перлитная структура, поскольку этот состав является, согласно диаграмме равновесия, эвтектоидным. По морфологии различают пластинчатый перлит с чередующимися пластинками цементита и феррита и перлит зернистого (глобулярного) строения, в котором округлые зерна цементита расположены равномерно в ферритной матрице. Сталь со структурой зернистого перлита получается в результате специального отжига, отличается большей пластичностью и вязкостью. Такую структуру стараются получить и в заэвтектоидной стали.

Структура эвтектоидной стали марки У8 Структура пластинчатого перлита (П). Тонкие пластины цементита (Ц) на светлом поле твердого раствора феррита (Ф). Структурные составляющие: перлит (П) Фазы: феррит и цементит (Ф+Ц). Твердость 180…200 НВ Х 300

Структура пластинчатого перлита при различном увеличении x 1000 X 5000 Хорошо видны чередующиеся пластинки феррита и цементита (а) и (б), а также место стыка бывших аустенитных зерен (б). а) б)

Структура эвтектоидной стали после сфероидизирующего отжига (структура зернистого перлита) На светлом поле твердого раствора феррита (Ф) округлые включения цементита (Ц), расположенные как по границам, так и внутри ферритных зёрен. Структурные составляющие и фазы те же, что и выше. Твердость 160…180 НВ х 250 х 5000 а) б)

Заэвтектоидная сталь Заэвтектоидная сталь характеризуется избыточным содержанием цементита, который выделяется по границам зерен перлита. Цементитная сетка является значительным дефектом заэвтектоидной стали, приводящим к снижению ее прочности и вязкости. При правильном выполнении теплового режима обработки стали (прокатки, ковки, отжига) вторичный цементит присутствует в виде мелких зерен, сравнительно равномерно расположенных в перлите.

Структура заэвтектоидной стали марки У12 (1,2% углерода) Структура состоит из пластинчатого перлита (П), окруженного светлой сеткой избыточного цементита (Ц), выделившегося по границам бывшего аустенитного зерна. Структурные составляющие: перлит и цементит вторичный (П+ЦII). Фазы: феррит и цементит (Ф+Ц). Твердость 200…220 НВ х 300

Структура заэвтектоидной стали с 1,4% углерода Структура отличается от предыдущей большей толщиной цементитной сетки. Структурные и фазовые составляющие те же, что и выше. Твердость 200…220 НВ х 300

Дефектные структуры а)доэвтектоидная литая сталь, сильный перегрев; феррит расположен по границам перлитных зерен с острыми ответвлениями под углом 60 и 120оС. б)заэвтектоидная литая сталь; светлые иглы избыточного цементита расположены в перлите под углом 60 и 120оС . 1.Структура Видманштетта. Название применяется ко всем структурам, избыточная фаза которых (феррит и цементит) имеет игольчатую форму и ориентированы в определенных направлениях относительно исходной фазы, полученных быстрым охлаждением после перегрева от температуры > A3.

2. Текстура – ориентированное расположение зерен вдоль направления действия нагрузки. а) б) Низкоуглеродистая сталь с 0,1% С (а) и 0,35 % С (б) после холодной прокатки (обжатие 60%). Зерна перлита и феррита вытянуты в направлении действия приложенной нагрузки.

ЧУГУНЫ В зависимости от состояния углерода в чугуне различают: белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида железа, излом такого чугуна имеет светлый блестящий цвет; серый чугун, в котором углерод частично или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, излом такого чугуна имеет серый цвет. По форме графитовых включений различают собственно серый чугун с пластинчатым графитом, ковкий чугун с компактным (хлопьевидным) графитом и высокопрочный чугун с верникулярным или шарообразным графитом. Форма графитовых включений определяет пластичнолсть чугуна. По структуре металлической основы чугуны в равновесном состоянии подразделяются на ферритный, феррито-перлитный и перлитный. Структура металлической основы определяет прочность чугуна и зависит от термической обработки.

Белый чугун Белые чугуны характеризуются тем, что весь углерод в них находится в связанном состоянии в форме карбида железа - цементита (Fe3C). По положению на диаграмме состояния Fe-C чугуны делят на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические, что и определяет их структуру.

Доэвтектический белый чугун В структуре доэвтектического белого чугуна наряду с аустенитом, образованным при первичной кристаллизации, и вторичным цементитом присутствует хрупкая эвтектика – ледебурит, количество которой возрастает с увеличением содержания углерода. В связи с тем, что аустенит, в том числе и входящий в состав ледебурита, при температуре А1 распадается на перлит, при температуре < А1 аустенит и ледебурит обозначают соответственно Арасп (перлит) и Лрасп..

Структура низкоуглеродистого доэвтектического белого чугуна с 3,3% углерода Темные участки распавшегося (на перлит) избыточного твердого раствора аустенита (А) и пестрая эвтектика – распавшийся ледебурит между ними. Внутри распавшегося аустенита видны светлые выделения вторичного цементита (ЦII). Структурные составляющие: аустенит распавшийся (перлит), ледебурит распавшийся и цементит вторичный (Ар+Лр+ЦII). Фазы: феррит и цементит (Ф+Ц), при температуре выше А1 - аустенит и цементит (А+Ц). х 300 Твердость 380…400 НВ

Структура доэвтектического белого чугуна с 3,6% углерода С ростом содержания углерода увеличилась доля ледебурита распавшегося в структуре чугуна. Структурные и фазовые составляющие те же, что и выше. Твердость 400…450 НВ х 300

Структура доэвтектического белого чугуна с 4,0% углерода Большое увеличение позволяет увидеть внутри распавшегося аустенита светлые выделения вторичного цементита (ЦII) в виде сетки по границам бывших зерен аустенита. Структурные и фазовые составляющие те же, что и выше. х 600 Твердость 480…500 НВ

Эвтектический чугун (4,3% углерода) Структура состоит из эвтектики (распавшегося ледебурита – Лр), представляющей собой равномерно распределенные темные участки распавшегося твердого раствора аустенита на светлом поле цементита. Структурные составляющие: эвтектика (Лр). Фазы: феррит и цементит (Ф+Ц), при температуре выше А1- аустенит и цементит (А+Ц). Твердость 500…520 НВ х 300

Строение ледебурита х 600 х 300

Заэвтектический чугун Структура заэвтектического чугуна состоит из эвтектики (ледебурит распавшийся) и первичного цементита, выделяющегося при кристаллизации из жидкости в виде крупных светлых пластин.

Заэвтектический чугун (5% углерода) Белые пластинки избыточного первичного цементита (ЦI) и пестрая эвтектика (ледебурит распавшийся – Лр) между ними. Структурные составляющие: ледебурит распавшийся и цементит первичный (Лр + ЦI) Фазы: феррит и цементит (Ф+Ц), при температуре выше А1- аустенит и цементит (А+Ц). Твердость 630…650 НВ х 100 х 600

Серый , высокопрочный и ковкий чугуны В сером, высокопрочном и ковком чугунах углерод может содержаться как в свободном (в виде графита), так и в связанном состоянии (цементита металлической основы). Свойства таких чугунов определяются как металлической основой, так и формой графита, вкрапленного в эту основу. Для характеристики их структуры необходимо определять размеры и форму графитовых включений, характер их распределения в металлической основе, а также структуру основы.

Формы графита в чугуне а) Форма графитовых включений определяется на нетравленных шлифах. а)Однородно распределенные пластинки графита без предпочтительных ориентаций. Такой графит имеется в серых чугунах и обусловлен незначительным эвтектическим переохлаждением. б)Розеточный графит, обусловлен большими скоростями охлаждения. Часто встречается в тонокостенных отливках и на поверхности отливок с графитом типа (а). б)

д) Переохлажденный междендритный графит в виде большого числа очень маленьких пластинок, ориентиро-ванных по осям роста кристаллов во время затвердевания. Такая форма обусловлена замедленным зарожде-нием графита в связи с переохлаждением. в) Шаровидный графит, получается в чугунах, модифицированных магнием и церием. Шаровидный графит состоит из множества кристаллов, которые растут наружу из общего центра. г) Хлопьевидный графит, встречается в ковких чугунах, образуется в результате распада цементита при высокой температуре.

Серый чугун Характерная особенность структуры серых чугунов, определяющая многие его свойства, - пластинчатая форма графита. Наиболее широкое применение получили доэвтектические чугуны, содержащие 2,4…3,8 % С. Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, в основном, графитовой составляющей. Чем меньше графитовых включений, тем они мельче и больше изолированы друг от друга, тем выше прочность чугуна. При одинаковом характере графитовых включений чугун с преобладающим количеством перлита имеет более высокие механические свойства, чем чугун с преобладающим количеством феррита. Используется для изготовления малонагруженных деталей машин, станков, тракторов, арматуры и пр. Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, первые указывают предел прочности при растяжении, вторые – предел прочности при изгибе.

Серый чугун на ферритной основе Пластинки графита расположены в ферритной матрице. В этом случае весь углерод находится в виде графита. Структурные составляющие: феррит и графит (Ф+Г). Фазы: феррит и графит (Ф+Г). Твердость по Бринелю 150 НВ х 300

Структура серого чугуна на феррито- перлитной основе Пластинки графита окружены светлыми зернами феррита и темными перлита. В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1% С. Структурные составляющие: перлит, феррит и графит (П+Ф+Г). Фазы: феррит, цементит и графит (Ф+Ц+Г). Твердость 200 НВ х 300

: Серые включения графита (Г) пластинчатой формы расположены в пластинчатом перлите (П). В этом чугуне 0,7-0,8 % углерода находится в виде цементита, входящего в состав перлита. Структурные составляющие: перлит и графит (П+Г). Фазы: феррит, цементит и графит (Ф+Ц+Г). Структура серого чугуна на перлитной основе Твердость 350 НВ х 300

Ковкий чугун Ковким называется чугун с компактным (хлопьевидным) графитом. Его получают из белого чугуна в результате длительного графитизирующего отжига. Компактный графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность металлической основы. Ковкий чугун применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках, используют его, главным образом, для тонкостенных деталей. Маркируют ковкий чугун КЧ и цифрами, первые две из которых указывают предел прочности при растяжении, а вторые – относительное удлинение.

Форма графита в ковком чугуне Компактный графитобразуется в результате распада аустенита при высокой температуре. Очертания графитовых включений могут быть совершенно неправильным, крабообразными или хлопьевидными.

Структура ковкого чугуна на ферритной основе Твердость 150 НВ Компактный графит (Г) на фоне ферритной матрице с хорошо различимыми зернами твердого раствора (ф). Ферритный ковкий чугун обладает наибольшей пластичностью. Структурные cоставляющие: феррит и графит (Ф+Г). Фазы: феррит и графит (Ф+Г). Структура ковкого чугуна на ферритной основе

Компактный графит (Г) на фоне феррито-перлитной матрицы. Структурные cоставляющие: Феррит, перлит и графит (Ф+П+Г). Фазы: Феррит, цементит и графит (Ф+Ц+Г). Твердость 200 НВ Структура ковкого чугуна на феррито-перлитной основе

Структура ковкого чугуна на перлитной основе Компактные включения графита (г) распределены в перлитной (П) матрице. Структурные составляющие: перлит и графит (П+Г). Фазы: феррит, цементит и графит (Ф+Ц+Г). Твердость 250 НВ

Высокопрочный чугун Высокопрочный чугун получают присадкой в жидкий чугун небольших добавок щелочных или щелочноземельных металлов, чаще всего, магния в количестве 0,03…0,07%. В результате графит в процессе кристаллизации приобретает шаровидную форму и значительно меньше ослабляет металлическую основу, что способствует повышению механических свойств. К высокопрочному относится и чугун с верникулярным (червеобразным) графитом. Высокопрочные чугуны применяют для деталей станочного, кузнечно-прессового оборудования. Высокопрочный чугун маркируют буквами ВЧ и цифрами, указывающими предел прочности при растяжении и относительное удлинение.

Структура высокопрочного чугуна на ферритной основе Серые шаровидные включения графита (Г) на фоне ферритной (Ф)матрицы. Структурные составляющие: феррит и графит (Ф+Г). Фазы: феррит и графит (Ф+Г). Твердость 150 НВ

Структура высокопрочного чугуна на феррито-перлитной основе (0,64% связанного углерода) Серые округлые включения графита (Г), расположенные в феррито-перлитной матрице. Графит окружен светлыми участками твердого раствора феррита (Ф) полиэдрической структуры. Темные участки – пластинчатый перлит (П). Структурные составляющие: феррит, перлит и графит (Ф+П+Г) Фазы: феррит, цементит и графит (Ф+Ц+Г). Твердость 250 НВ х 400

Структура высокопрочного чугуна на перлитной основе Твердость 400 НВ Серые круглые включения графита (Г) расположены в пластинчатом перлите (П). Структурные составляющие: перлит и графит (П+Г). Фазы: феррит, цементит и графит (Ф+Ц+Г).

Фосфидная эвтектика При повышенном содержании фосфора (до 0,4…0,5%) в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики: в серых чугунах – двойной (Fe3Р – аустенит), а в белых – тройной (Fe3C - Fe3Р -аустенит). Фосфидная эвтектика улучшает литейные свойства чугуна, но при этом возрастает хрупкость отливок. х300

Половинчатый чугун Повышенное содержание марганца (свыше 1,25…1,4 %) и ускоренное охлаждение препятствует процессу графитизации и приводит к образованию в поверхностных слоях отливок структуры белого или половинчатого чугуна. Большая часть углерода (> 0,8%) в таком чугуне находится в цементите. Структурные составляющие: Перлит, графит и ледебурит распавшийся (П+Г+Лр). Фазы: феррит, цементит и графит (Ф+Ц+Г). х 400