Диаграмма Fe-C Диаграмма Fe-C — одна из

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.

СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА СТАЛИ И ЧУГУНЫ • Основными сплавами железа являются его сплавы с углеродом стали и чугуны. В основе такого разделения лежит структурная диаграмма метастабильного равновесия системы Fe- Fe 3 C. • Сплавы с концентрацией С < 2, 14 вес. % (соответствует точке Е максимальной растворимости углерода в железе) называются сталями, а сплавы с концентрацией С >2, 14 вес. % - чугунами. В результате различного содержания углерода в сплаве образуется разная структура, что определяет различие в механических и физико-химических свойствах сплавов, а следовательно, и в их назначении.

СТАЛИ • Структура стали и ее свойства зависят от содержания углерода, скорости охлаждения и последующей термической обработки. • Cтали подразделяют на доэвтектоидные и заэвтектоидные относительно эвтектоидного состава с 0, 8% С. В первом случае образуется перлитно-ферритная структура, а во втором случае - перлитно-цементитная.

Техническое железо (до 0, 04% углерода) • Структура стали с минимальным содержанием углерода (ниже предела растворимости углерода в железе при 200 С, равном 0, 006%) представляет собой феррит, имеющий полиэдрическое (зернистое) строение, без избыточных выделений. Небольшое (до 0, 025%) увеличение содержания углерода вызывает 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 низкоуглеродистой стали.

Структура технического железа х 100 х 300 Твердость по Бринеллю 80 -100 НВ • Светлые полиэдры твердого раствора феррита (Ф) и выделения избыточного цементита (Ц) по границам зерен. • Структурные составляющие: • феррит и цементит третичный (Ф+ЦIII). • Фазы: • феррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C)

Доэвтектоидная сталь • Увеличение содержания углерода сверх 0, 025% вызывает образование перлита – двухфазной структуры, формирующейся при эвтектоидном превращении. Перлит состоит из двух фаз: феррита и цементита и имеет суммарное содержание углерода 0, 8%. Морфология перлита в доэвтектоидных и эвтектоидных сталях определяется условиями проведения отжига. Количество перлита в доэвтектоидных сталях возрастает с увеличением содержания углерода.

Структура низкоуглеродистой доэвтектоидной стали (0, 2% углерода) х 300 Твердость по Бринеллю 110 -120 НВ • Светлые (белые) участки твердого раствора феррита (Ф) и темные – перлита (П) пластинчатого строения. • Структурные составляющие: • феррит и перлит (Ф+П). • Фазы: • феррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C)

Структура среднеуглеродистой доэвтектоидной стали марки 45 (0, 45% углерода) х 300 Твердость по Бринеллю 140 -160 НВ • С ростом содержания углерода увеличивается количество темной перлитной структурной составляющей. • Структурные составляющие: • феррит и перлит (Ф+П). • Фазы: • феррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C)

Структура доэвтектоидной стали с 0, 6% углерода х300 Твердость по Бринеллю 160 -170 НВ • Основная структурная составляющая – перлит с небольшими участками феррита. С ростом доли перлитной составляющей возрастает и общая твердость стали. • Структурные составляющие: • феррит и перлит (Ф+П). • Фазы: • феррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C)

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 строения, в котором округлые цементитные зерна расположены равномерно в ферритной матрице. Сталь со структурой зернистого перлита отличается большей пластичностью и обрабатываемостью резанием. Такую структуру стараются получить в заэвтектоидной стали.

Структура эвтектоидной стали марки У 8 Х 300 Твердость по Бринеллю 180 -200 НВ • Структура пластинчатого перлита (П). Тонкие пластины цементита (Ц) на светлом поле твердого раствора феррита (Ф). • Структурные составляющие: • перлит (П) • Фазы: • феррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C).

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

Структура эвтектоидной стали после сфероидизирующего отжига (структура зернистого перлита) а) х 250 б) х 5000 Твердость по Бринеллю 160 -180 НВ • На светлом поле твердого раствора феррита (Ф) округлые включения цементита (Ц). • Структурные составляющие и фазы те же, что и выше.

Заэвтектоидная сталь характеризуется избыточным содержанием цементита, который может выделяться 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 У 12 (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). х 300 • Фазы: феррит ( -фаза) и Твердость по Бринеллю 200 -220 НВ цементит (карбид железа Fe 3 C).

Структура заэвтектоидной стали с 1, 3% углерода х 300 Твердость по Бринеллю 200 -220 НВ • Структура отличается от предыдущей большей толщиной цементитной сетки. • Структурные и фазовые составляющие те же, что и выше.

Дефектные структуры 1. Структура Видманштетта. Название применяется ко всем игольчатым структурам, иглы которых ориентированы в нескольких определенных направлениях относительно решетки исходной фазы, но чаще всего, для игольчатого феррита, полученного быстрым охлаждением от температуры > A 3. а)доэвтектоидная литая сталь, сильный б)заэвтектоидная литая сталь; светлые перегрев; феррит расположен по границам перлитных зерен с острыми ответвлениями под углом 60 и 120 о. С. иглы избыточного цементита расположены в перлите под углом 60 и 120 о. С.

2. Текстура – ориентированное расположение зерен вдоль направления действия нагрузки. а) Низкоуглеродистая сталь с 0, 1% С (а) и 0, 25 % С (б) после холодной прокатки (обжатие 60%). б) Зерна перлита и феррита вытянуты вдоль направления деформации.

ЧУГУНЫ • В зависимости от состояния углерода в чугуне различают: • белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида; • серый чугун, в котором углерод частично или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита; • высокопрочный чугун, в котором углерод частично или полностью находится в свободном состоянии виде шаровидного графита; • ковкий чугун, в котором углерод частично или полностью находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита. • Химический состав и, в частности, содержание углерода не характеризуют полностью структуру и свойства чугуна, которые зависят также от процесса выплавки, условий охлаждения отливки и режима термической обработки. Свойства чугуна определяются его структурой.

Белый чугун • Белые чугуны характеризуются тем, что весь углерод в них находится в связанном состоянии в форме карбида железа - цементита (Fe 3 C). По химическому составу и структуре чугуны делят на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

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 А 1 распадается на перлит, аустенит и ледебурит при температуре < А 1 обозначаютс соответственно Арасп 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). х 300 • Фазы: Феррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C). При температуре выше А 1 фазы: аустенит ( -фаза) и цементит.

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. х 300 Твердость по Бринеллю 400 -450 НВ

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 зерен. • Структурные составляющие: аустенит распавшийся (перлит), ледебурит распавшийся и цементит вторичный (Ар+Лр+ЦII). • Фазы: феррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C). При температуре выше А 1 фазы – аустенит ( -фаза) и цементит. • х 600

Эвтектический чугун (4, 3% углерода) • Структура состоит из эвтектики (распавшегося ледебурита – Лр), представляющей собой равномерно распределенные темные участки распавшегося твердого раствора аустенита (А) и светлые участки цементита (Ц). • Структурные составляющие: • эвтектика (Лр). • Фазы: • х 300 феррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C). При температуре выше А 1 - аустенит и цементит Твердость по Бринеллю 500 -520 НВ

Структура эвтектического чугуна (примеры строения ледебурита) х 300

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

Заэвтектический чугун (5% углерода) х 100 х 700 Твердость по Бринеллю 630 -650 НВ • Белые пластинки избыточного первичного цементита (ЦI) и пестрая эвтектика (ледебурит распавшийся – Лр ) между ними. • Структурные составляющие: • эвтектика (ледебурит распавшийся) и цементит первичный (Лр+ЦI). • Фазы: феррит ( -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C).

Серый , высокопрочный и ковкий чугуны • В сером, высокопрочном и ковком чугунах углерод может содержаться как в свободном (графит) так и в связанном состоянии (в металлической основе). • Свойства таких чугунов определяются как металлической основой, так и включениями графита, вкрапленными в эту основу. Для характеристики их структуры необходимо определять размеры и форму графитовых включений, характер их распределения в металлической основе, а также структуру металлической основы. • Металлическая основа по структуре может принадлежать к одному из трех видов: ферритная, перлитная и ферритоперлитная.

Формы графита в чугуне с невыявленной металлической основой а) б) а)Однородно распределенные пластинки графита без предпочтительных ориентаций. Такой графит имеется в серых чугунах и обусловлен незначительным эвтектическим перерохлаждением. б)Розеточный графит, обусловлен большими скоростями охлаждения. Часто встречается в тонокостенных отливках и на поверхности отливокс графитом типа (а).

в) г) д) 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. д) Переохлажденный междендритный графит в виде большого числа очень маленьких пластинок, ориентированных по осям роста кристаллов во время затвердевания. Такая форма обусловлена замедленным зарождением графита в связи с переохлаждением.

Серый чугун • Получил свое название по виду излома, который имеет серый цвет из-за включений графита. 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 обладает более высокими механическими свойствами, 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.

Структура серого чугуна на перлитной основе : • Серые включения графита (Г) пластинчатой формы расположены в пластинчатом перлите (П). В этом чугуне 0, 70, 8 % углерода находится в виде цементита, входящего в состав перлита. х 500 300 Твердость по Бринеллю 150 НВ • • Структурные составляющие: перлит и графит (П+Г). Фазы: феррит ( -фаза), цементит (карбид железа Fe 3 C) и графит (свободный углерод).

Структура серого чугуна на ферритоперлитной 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 х 300 (П+Ф+Г). • Фазы: феррит ( -фаза), цементит (карбид железа Fe 3 C) и графит (свободный углерод). Твердость по Бринеллю 200 НВ

Серый чугун на ферритной основе Пластинки графита расположены в ферритной матрице. Вэтом случае весь углерод находится в виде графита. • Структурные составляющие: феррит и графит (Ф+Г). • Фазы: феррит ( -фаза) и графит (свободный углерод). х 300 Твердость по Бринеллю 150 НВ

Ковкий чугун • Ковким называется чугун с хлопьевидным графитом. Его получают из белого чугуна в результате длительного графитизирующего отжига. Хлопьевидный 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 тонокостенных 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 Хлопьевидный графит. Возникает в результате распада аустенита при высокой температуре Очертания графитовых включений могут быть совершенно неправильным, крабообразными или хлопьевидными. Твердость по Бринеллю 200 НВ

Структура ковкого чугуна на перлитной основе • Ферритный ковкий чугун обладает наибольшей пластичностью. Хлопьевидный графит распределен в ферритной матрице. • Структурные составляющие: • перлит и графит (П+Г). • Фазы: феррит ( -фаза), цементит (карбид железа Fe 3 C) и графит (свободный углерод). Твердость по Бринеллю 250 НВ

Структура ковкого чугуна на ферритной основе Серые хлопьевидные включения графита на фоне ферритной матрицы. • Структурные составляющие: феррит и графит (Ф+Г). • Фазы: феррит ( -фаза) и графит (свободный углерод). Твердость по Бринеллю 150 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, значительно меньше ослабляет металлическую основу, что способствует повышению механических свойств. • Высокопрочные чугуны применяют для детелей станочного, кузнечно-прессового оборудования. • Высокопрочный чугун маркируют буквами ВЧ и цифрами, указывающими предел прочности при растяжении и относительное удлинение.

Структура высокопрочного чугуна на перлитной основе • Структурные составляющие: • перлит и графит (П+Г). • Серые круглые включения графита (Г) расположены в пластинчатом перлите (П). • Фазы: феррит ( -фаза), цементит (карбид железа Fe 3 C) и графит (свободный углерод). Твердость по Бринеллю 250 НВ

Структура высокопрочного, на ферритоперлитной основе (0, 64% связанного углерода) х 400 Твердость по Бринеллю 200 НВ • Серые округлые включения графита (Г), расположенные в феррито-перлитной матрице. Графит окружен светлыми участками твердого раствора феррита (Ф) полиэдрической структуры. Темные участки – пластинчатый перлит. • Структурные составляющие: • феррит, перлит и графит (Ф+П+Г) • Фазы: феррит ( -фаза), цементит (карбид железа Fe 3 C) и графит (свободный углерод).

Структура высокопрочногочугуна на ферритной основе Серые шаровидные включения графита на фоне ферритной матрицы. • Структурные составляющие: феррит и графит (Ф+Г). • Фазы: феррит ( -фаза) и графит (свободный углерод). Твердость по Бринеллю 150 НВ

Фосфидная эвтектика При повышенном содержании фосфора (до 0, 4 -0, 5%) в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики: в серых чугунах – двойной (Fe 3 Р – аустенит), а в белых – тройной (Fe 3 C - Fe 3 Р – аустенит). Фосфидная эвтектика улучшает литейные свойства чугуна, но при этом возрастает хрупкость отливок.

Половинчатый чугун х 400 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 и графит и ледебурит(П+Г+Л). • Фазы: феррит ( -фаза), цементит (карбид железа Fe 3 C) и графит (свободный углерод).