Фазы диаграммы железо — углерод
Часть диаграммы состояния сплавов железо-углерод
В системе железо — углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.
1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
2. Феррит — Твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе с ОЦК (объемно-центрированной кубической) решеткой.
Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 727 °C (точка P). Атомы углерода располагается в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине ребер куба, а также в дефектах решетки.
При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1500 °C (точка I)
Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твердость — 130 НВ) и пластичен, магнитен (при отсуствии углерода) до 770 °C.
3. Аустенит (γ) — твердый раствор внедрения углерода в γ-железе с ГЦК (гране-центрированной кубической) решеткой.
Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки.
Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е).
Аустенит имеет твердость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен.
При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования.
4. Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Он твердый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит фаза метастабильная и при длительным нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.
В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:
— цементит первичный (выделяется из жидкости),
— цементит вторичный (выделяется из аустенита),
— цементит третичный (из феррита),
— цементит эвтектический и
— эвтектоидный цементит.
Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зернами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.
Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.
Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфероидов.
Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твердости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.
5. Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решеткой. Плотность графита (2,3) много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5 — 7,8) и это затрудняет и замедляет его образование, что и приводит к выделению цементита при более быстром охлаждении. Образование графита уменьшает усадку при кристаллизации, графит выполняет роль смазки при трении, уменьшая износ, способствует рассеянию энергии вибраций.
Графит имеет форму крупных крабовидных (изогнутых пластинчатых) включений (обычный серый чугун) или сфероидов (высокопрочный чугун).
Графит обязательно присутствует в серых чугунах и их разновидности — высокопрочных чугунах. Графит присутствует также и некоторых марках стали — в графитизированных сталях.
2.Ледебурит — структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, представляющая собой эвтектическую смесь аустенита и цементита в интервале температур 727—1147 °C, или феррита и цементита ниже 727 °C.
Структура и свойства
Основная фаза, инициирующая зарождение ледебурита — цементит. На пластинке цементита, зародившейся в эвтектической жидкости, разрастается плоский дендрит аустенита. Далее идет сравнительно быстрый парный рост взаимно проросших кристаллов обеих фаз. Каждая из фаз в пределах одной колонии ледебурита непрерывна, то есть относится к одному кристаллу.
В зависимости от температуры, фазовый состав ледебурита может быть разным. Так в температурном интервале от 1147 °C до 727 °C ледебурит состоит из аустенита и цементита, а при температурах ниже 727 °C — из перлита и цементита.
Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.
Присутствие в железоуглеродистых сплавах
Чугуны
Ледебуритная смесь возникает в чистых железоуглеродистых сплавах в интервале концентраций углерода от 2 % до 6,67 %, что соответствует чугунам. Механизм образования ледебурита в доэвтектических (левее точки эвтектики, соответствующей 4,3 % углерода, на диаграмме железо-углерод), эвтектических и заэвтектических (правее точки эвтэктики) чугунах различается.
в доэвтектических чугунах
При охлаждении жидкой фазы состава доэвтектического чугуна первым начинает кристаллизоваться аустенит, вследствие чего состав жидкой фазы начинает смещаться в сторону увеличения концентрации углерода (ввиду меньшей растворимости углерода в аустените). По достижении точки эвтектики (4,3 % углерода, 1147 °C) начинается кристаллизация эвтектики — ледебурита. В процессе дальнейшего охлаждения чугуна в интервале температур от 1147 °C до 727 °C аустенит обедняется углеродом и выделяется вторичный цементит. Вторичный цементит, выделяющийся по границам зерен аустенита, сливается с цементитом ледебурита, поэтому практически не виден под микроскопом. При небольшом переохлаждении ниже 727 °C аустенит по эвтектоидной реакции превращается в перлит. Таким образом, в доэвтектических белых чугунах, при комнатной температуре, ледебурит, как структурная составляющая, присутствует наряду с перлитом и вторичным цементитом.
в эвтектическом чугуне
При охлаждении жидкой фазы состава точки эвтектики до температуры 1147 °C начинается одновременная кристаллизация смеси аустенита и цементита — ледебурита. В дальнейшем аустенит распадается на феррито-цементитную смесь (перлит).
в заэвтектических чугунах
В заэвтектических белых чугунах из жидкости кристаллизуется первичный цементит в виде плоских игл, затем образуется ледебурит. При комнатной температуре эаэвтектический белый чугун содержит две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит.
Стали
Ледебурит может образовываться в сталях если в них, во-первых, содержание углерода достаточно велико (свыше 0,7 % (~1,3 %—1,5 %), что соответствует инструментальным сталям), и, во-вторых, при высоком содержании карбидообразующих легирующих элементов (Cr, W, Ti, Mo и др.). Введение этих легирующих элементов, в больших количествах, уменьшает растворимость углерода в аустените и перлите, что, в определённых случаях, и приводит к возможности выделения эвтектики при, сравнительно, малых содержаниях углерода. Такие стали (например, быстрорежущая) называют ледебуритными.
3. 
Сплав II (рис. 2б )с содержанием 0,8%С называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии PSKпроисходит нонвариантное эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02% С и цементит.
Аs ↔Фр + Ц (1)
Такую микрогетерогенную смесь двух фаз называют перлитом. Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск.
Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования (рис.3 б,в). .
Рисунок 3 - Микроструктуры сталей: а – доэвтектоидная сталь; б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь
Эвтектоидное превращение («эвтектоид» означает похожий на эвтектику) идет при постоянных температуре и составе фаз, так как в процессе одновременно участвуют три фазы и число степеней свободы равно нулю.
Сплав I (см. рис. 2б)с содержанием углерода менее 0,8% называют доэвтектоидной сталью. Эвтектоидному превращению в таких сталях предшествует частичное превращение аустенита в феррит в интервале температур точек 1 - 2. При температуре точки bфазовый состав сплава Ас+ Фа. Количественное соотношение аустенита и феррита соответственно определяется отношением отрезков ab и be.
В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали (рис.3а).
Количественное соотношение между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита.
Сплав III (рис. 2б) — заэвтектоидная сталь (> 0,8%С). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3 - 4предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (ЦII). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ESдиаграммы. В результате при охлаждении до температуры точки 4аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8% и на линии PSKиспытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой (рис. 3г). Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20%) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.
4. В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:
— цементит первичный (выделяется из жидкости),
— цементит вторичный (выделяется из аустенита),
— цементит третичный (из феррита),
— цементит эвтектический и
— эвтектоидный цементит.
Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зернами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.
Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.
Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфероидов.
Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твердости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.
5. Перлит (от фр. perle - жемчужина) — одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов — сталей и чугунов: представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз — феррита и цементита (в легированных сталях — карбидов). Перлит — продукт эвтектоидного распада (перлитного превращения) аустенита при сравнительно медленном охлаждении железоуглеродистых сплавов ниже 727 °C. При этом γ-железо переходит в α-железо, растворимость углерода в котором составляет от 0,006 до 0,025%; избыточный углерод выделяется в форме цементита или карбидов. В зависимости от формы различают перлит пластинчатый (основной вид перлита; обе фазы имеют форму пластинок) и зернистый (округлые зёрнышки, или глобули, цементита располагаются на фоне зёрен феррита). С увеличением переохлаждения растёт число колоний перлита, то есть участков с однообразной ориентацией пластинок феррита и цементита (карбидов), а сами пластинки становятся более тонкими. Механические свойства перлита зависят в первую очередь от межпластиночного расстояния (суммарная толщина пластинок обеих фаз): чем оно меньше, тем выше значение предела прочности и предела текучести и ниже критическая температура хладноломкости. При перлитной структуре облегчается механическая обработка стали. Дисперсные разновидности перлита называют сорбитом и трооститом.
6. Вторичный цементит
Вторичный цементит выделяется из аустенита - γ-твёрдого раствора. При охаждении выделение происходит по линии ES (диаграмма Fe-C). Форма вторичного цементита: цементитная сетка, цементит по границам зёрен.
7. Чугун включает в себя железоуглеродистый сплав, который содержит более 2 процентов углерода. В отличие от него сталь является железоуглеродистым сплавом, состоящим с менее 2.14 процента углерода, но с наличием определенных добавок в виде других элементов.
Другой отличительным признаком стали от чугуна является то, что сталь, в зависимости от своей марки, подвергается закалке, а чугун процедуре закаливания не поддается.
Чугун по своим свойствам является твердым и хрупким. Он не подвергается ковке. Сталь, в отличие от чугуна, хорошо поддается ковке, а также сварке, и вообще всем распространенным видам механической обработки.
Количественное соотношение между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита.
Сплав III (рис. 2б) — заэвтектоидная сталь (> 0,8%С). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3 - 4предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (ЦII). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ESдиаграммы. В результате при охлаждении до температуры точки 4аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8% и на линии PSKиспытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой (рис. 3г). Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20%) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.
В доэвтектических белых чугунах (< 4,3%С) кристаллизация сплава начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. В сплаве I (см. рис.4) этот процесс идет в интервале температур точек 1 - 2. При температуре точки 2образуется эвтектика (ледебурит), т.е. начинается процесс:
Жс ↔АЕ + Ц (2)
При последующем охлаждении из аустенита, структурно свободного и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит. Обедненный вследствие этого аустенит при 727°С превращается в перлит.
Структура доэвтектического белого чугуна состоит из крупных темных полей перлита, образовавшегося из структурно - свободного аустенита, на фоне ледебурита ( рис.5а).
Рисунок 5 - Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектический белый чугун; б – эвтектический белый чугун (Л); в – заэвтектический белый чугун
8. Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо – цементит, отличаются высокой хрупкостью. Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами.
Чугуном называется сплав железа с углеродом с содержанием углерода более 1,7%. Чаще всего чугун содержит от 2,6 до 3,6% углерода. Кроме углерода, в чугуне имеются кремний, марганец, сера, фосфор и другие элементы.
По структуре чугун разделяется на белый, серый и ковкий, а по химическому составу — на легированный (со специальными примесями) и нелегированный.
БЕЛЫЙ ЧУГУН. Белым чугуном называется такой, у которого большая часть углерода химически соединена с железом в форме цементита. Белый чугун очень хрупкий и твердый, в изломе - белого цвета.
Для обработки белого чугуна требуются специальные режущие инструменты; белый чугун применяется для отливки деталей, не требующих механической обработки. В машиностроении белый чугун применяется редко.
Сварка белого чугуна сильно затрудняется в связи с образованием трещин при нагреве и охлаждении, а также из-за неоднородности структуры в месте сварки.
В белом чугуне весь углерод находится в виде цементита. Структура такого чугуна - перлит, ледебурит и цементит. Такое название этот чугун получил из-за светлого цвета излома. Бе?лый чугу?н - вид чугуна, в котором углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск. В структуре такого чугуна отсутствуют видимые включения графита и лишь незначительная его часть (0,03-0,30%) обнаруживается тонкими методами химического анализа или визуально при больших увеличениях. Основная металлическая масса белого чугуна состоит из цементитной эвтектики, вторичного и эвтектоидного цементита, а легированного белого чугуна - из сложных карбидов и легированного феррита.
9. Серыми называются чугуны, в структуре которых высокоуглеродистой фазой является графит пластинчатой формы (ПГ). В ковких чугунах графит имеет хлопьевидную форму (ХГ), в высокопрочных – шаровидную (ШГ), а также – вермикулярную форму (ВГ). Включения графита располагаются в металлической основе (матрице), которая а кованных чугунах может быть ферритной, или феррито-перлитной.
Структура серого чугуна формируется непосредственно при кристаллизации его в отливках. Обычно в серых чугунах содержится 8,0-3,7% С; и 1,2-2,6% Si. Содержание элементов подбирают так чтобы С + Si/3 = 4,3%. В этом случае чугун получается эвтектическим и обладает хорошими технологическими свойствами (жидкотекучестью, малой усадкой, незначительным пригаром металла к форме и др.).
Металлическая основа серых чугунов, как и ковких, формируется из исходного аустенита. Образование перлита происходит легко в сравнительно короткий промежуток времени. Получается серый чугун на перлитной металлической основе, часто вокруг ПГ образуется феррит и получается чугун с ферритно-перлитной металлической основой,. Для получения ферритного серого чугуна необходим распад цементита, входящего в перлит, на феррит и пластинчатый графит. С этой целью при 690-650°С делается изотермическая выдержка.
Серый чугун получают при более медленном охлаждении, чем белый чугун. В белом чугуне весь углерод находится в виде цементита. Структура такого чугуна — перлит , ледебурит и цементит . Такое название этот чугун получил из-за светлого цвета излома.
Серый чугун это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.
При конструировании деталей машин следует учитывать, что серые чугуны из-за присутствия в их структуре графита пластинчатой формы работают на сжатие значительно лучше, чем на растяжение. Они мало чувствительны к надрезам при циклическом нагружении, хорошо гасят колебания, обладают высокими антифрикционными свойствами из-за смазывающей способности графита. Серые чугуны хорошо обрабатываются резанием, дешевы и, в отличие от ковких, просты в изготовлении.
Чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, первая из которых характеризует предел прочности чугуна данной марки при растяжении, вторая - при изгибе (кг/мм2).
Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрами, первая из которых характеризует временное сопротивление чугуна при растяжении (кгс/мм2), вторая - относительное удлинение (%). Например, ВЧ 60-2 или ВЧ 40-10.
Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ и цифрами, обозначающими временные сопротивления при растяжении (кгс/мм2) и относительное удлинение (%).
Серый чугун используется во многих областях промышленности. В тракторо- и автомобилестроении при изготовлении: блоки цилиндров и компрессоров (СЧ15), нажимных дисков сцепления, маховиков, тормозных барабанов, картеров, блоков цилиндров, поршневых пальцев (СЧ25, СЧ30), гильз и др. В станкостроении серый чугун является основным материалом для станин станков, столов и верхних салазок, шпиндельных бабок и др. Для производства деталей с толщиной стенок до 100 мм рекомендуют чугуны СЧ28, СЧ30, более 100 мм – СЧ35. Из серого чугуна, содержащего 0,5% фосфора изготавливаются художественные изделия. Из чугунов СЧ10, СЧ15 изготавливают санитарно-техническое тонкостенное (4-8 мм) литье: секции отопительных радиаторов, купальные ванны, трубы, раковины и др.
10. Графитизация чугуна :образование графита в чугуне из жидкости или аустенита при его медленном охлаждении или при последующем специализированном отжиге (графитизирующий отжиг), сопровождается частичным или полным разложением цементита. Если графит образовался при кристаллизации частично в виде чешуек, то дальнейшее образование графита из аустенита будет происходить отложением углерода на ранее выделенных частицах. Считается, что этим определяется различие во внешней форме графита в чугунах.
Склонность к графитизации является фундаментальной характеристикой чугуна, определяющей подавляющее большинство технологических и эксплуатационных свойств этого материала, зависящий от того, как проходит или прошла графитизация чугуна, какова структура чугуна. Графитная фаза и графитизация является основным, наиболее существенным и одновременно наиболее просто контролируемым, а иногда и управляемым фактором (из многих, формирующих большинство свойств чугуна).
Графитизация чугуна при кристаллизации способствует повышению его жидкотекучести, формозаполняемости.
Графитизация чугуна при кристаллизации способствует и уменьшению дефектов в отливке усадочного происхождения: раковин, макро- и микропористости, утяжин. Графитизация при кристаллизации чугуна позволяет уменьшить объём прибылей. Графитизация чугуна в период кристаллизации способствует уменьшению напряжений и уменьшению трещинообразований.
При производстве белых и ковких чугунов графитизация при кристаллизации является нежелательным процессом, снижающим в конечном итого эксплуатационные свойства чугунов: белых - износостойкость, ковких - прочность и вязкость.
Таким образом, графитизация улучшает все технологические свойства графитизируемых чугунов, за исключением тех случаев, когда отливка должна быть изготовлена из белого чугуна.
Графитизация железоуглеродистых расплавов без первоначального выделения металлических фаз в условиях, близких к равновесным, происходит в заэвтектических сплавах. Графитизирующее модифицирование, способствуя созданию неравновесного состояния расплава, макро- и микрофлуктуаций, как и некоторые приёмы плавки, создают благоприятные условия для процессов графитизации и расплавов доэвтектических сплавов.
Серые чугуны подразделяют по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации. Степень или полноту графитизации оценивают по количеству свободно выделившегося (несвязанного) углерода.
Полнота графитизации зависит от многих факторов, из которых главными являются скорость охлаждения и состав сплава. При быстром охлаждении кинетически более выгодно образование цементита, а не графита. Чем медленнее охлаждение, тем больше степень графитизации. Кремний действует в ту же сторону, что и замедление охлаждения, т.е. способствует графитизации, а марганец – карбидообразующий элемент – затрудняет графитизацию.
Если графитизация в твердом состоянии прошла полностью, то чугун содержит две структурные составляющие – графит и феррит. Такой сплав называется серым чугуном на ферритной основе (рис. За). Если же эвтектоидный распад аустенита прошел в соответствии с метастабильной системой
эвтектоид (перлит)
то структура чугуна состоит из графита и перлита. Такой сплав называют серым чугуном на перлитной основе. Наконец, возможен промежуточный вариант, когда аустенит частично распадается по эвтектоидной реакции на феррит и графит, а частично с образованием перлита. В этом случае чугун содержит три структурные – графит, феррит и перлит. Такой сплав называют серым чугуном на феррито-перлитной основе.
11. В подавляющем большинстве случаев износостойкость находится в прямой зависимости от твердости чугуна и повышается с ростом твердости последнего. Особенно высокую твердость должны иметь детали, работающие в условиях ударно-абразивного износа.
Износостойкость серого чугуна может быть существенно повышена за счет применения легирования (рис. 50).
Герметичность оценивают по скорости утечки, падению давления или по граничным параметрам (толщина стенки, давление), при которых обнаруживается течь
Требования герметичности предъявляются к чугунным деталям, работающим под давлением жидкости или газа. Давление жидкости может быть равно атмосферному (картеры, открытые резервуары). Высокой герметичностью должны обладать отливки насосов и компрессоров, трубопроводов, арматуры, тормозной пневматики, гидроприводов и др.
Основным фактором, определяющим герметичность отливок, является наличие раковин и микропористости. Главную роль играет «транзитная», т. е. сообщающаяся между собой микропористость.
Прочность серых чугунов всех марок при сжатии значительно превышает прочность при растяжении. Для увеличения прочности чугуна графитовым включением придают шарообразную форму путем введения магния в ковш перед разливкой. При этом чугун приобретает и некоторую пластичность.
Прочность серого чугуна определяется формой и величиной графитовых включений и строением основной металлической массы.
Прочность серого чугуна определяется его структурой, которая состоит из ферритной ( рис. 2 - 22 а) или перлитной металлической основы ( рис. 2 - 22 6) и включений графита, в обычных чугунах - чешуйчатой ( пластинчатой) формы.
Модифицирование увеличивает прочность серого чугуна ( авр 30 - f - 40 кГ / мм2) и его износостойкость, улучшает плотность, теплоустойчивость и обрабатываемость.
Модифицирование повышает прочность серого чугуна, износостойкость, плотность, теплостойкость и улучшает его обрабатываемость.
Относительное изменение прочности серого чугуна при различной толщине стенки отливки соответствует нижеприведенным данным.
При высоких температурах прочность серого чугуна резко снижается, в особенности при повышенном содержании кремния.
Примечание: предел прочности серых чугунов при сжатии примерно в 4 - 5 раз больше, чем при растяжении.
12. +см9. Высокопрочный чугун — чугун, имеющий графитные включения сфероидальной формы.
Графит сфероидальной формы имеет меньшее отношение его поверхности к объёму, что определяет наибольшую сплошность металлической основы, а следовательно, и прочность чугуна. Структура металлической основы чугунов с шаровидным (сфероидальным) графитом такая же, как и в обычном сером чугуне, то есть, в зависимости от химического состава чугуна, скорости охлаждения (толщины стенки отливки) могут быть получены чугуны со следующей структурой: феррит + шаровидный графит (ферритный высокопрочный чугун), феррит + перлит + шаровидный графит (феррито-перлитный высокопрочный чугун), перлит + шаровидный графит (перлитный высокопрочный чугун).
Наиболее часто применяется для изготовления изделий ответственного назначения в машиностроении, а также для производства высокопрочных труб (водоснабжение, водоотведение, газо-, нефте-проводы). Изделия и трубы из Высокопрочного чугуна отличаются высокой прочностью, долговечностью, высокими эксплуатационными свойствами.
Высокопрочный чугун получают из серого чугуна введением в жидкий чугун при температуре 1400 °С магния или его сплавов.
недостатков чугуна при обработке резанием является непостоянная стойкость режущего инструмента.
На обработку высокопрочного чугуна, как правило, затрачивают в три раза большее количество инструмента, чем на обработку серого чугуна.
13. + см 9. Ко́вкий чугу́н — условное название мягкого и вязкого чугуна, получаемого из белого чугуна отливкой и дальнейшей термической обработкой. Используется длительный отжиг, в результате которого происходит распад цементита с образованием графита, то есть процесс графитизации, и поэтому такой отжиг называют графитизирующим.
Ковкий чугун, как и серый, состоит из сталистой основы и содержит углерод в виде графита, однако графитовые включения в ковком чугуне иные, чем в обычном сером чугуне. Разница в том, что включения графита в ковком чугуне расположены в форме хлопьев, которые получаются при отжиге, и изолированны друг от друга, в результате чего металлическая основа менее разобщена, и чугун обладает некоторой вязкостью и пластичностью. Из-за своей хлопьевидной формы и способа получения (отжиг) графит в ковком чугуне часто называют углеродом отжига.
По составу белый чугун, подвергающийся отжигу на ковкий чугун, является доэвтектическим и имеет структуру ледебурит + цементит (вторичный) + перлит. Для получения структуры феррит + углерод отжига в процессе отжига должен быть разложен цементит ледебурита, вторичный цементит и цементит эвтектоидный, то есть входящий в перлит. Разложение цементита ледебурита и цементита вторичного (частично) происходит на первой стадии графитизации, которую проводят при температуре выше критической (950—1000 °С); разложение эвтектоидного цементита происходит на второй стадии графитизации, которую проводят путём выдержки при температуре ниже критической (740—720 °C), или при медленном охлаждении в интервале критических температур (760—720 °C).
Белый чугун тверд и очень хрупок из-за большого количества эвтектического цементита в его структуре. Современный способ получения ковкого чугуна графитизирующим отжигом белого был изобретен в начале XIX в.
В настоящее время ковкий чугун — это широко применяемый машиностроительный материал, сочетающий простоту и дешевизну получения отливки фасонных деталей с высокими механическими свойствами.
Для производства ковкого чугуна используют отливки из доэвтектического белого чугуна, содержащего 2,2 — 3,1 % С; 0,7 — 1,5% Si; 0,3 — 1,0% Mn и до 0,08% Cr. Содержание в шихте кремния, облегчающего графитизацию, и марганца с хромом, затрудняющих ее, регулируют таким образом, чтобы подавить кристаллизацию графита из расплава и обеспечить возможно более быстрое прохождение графитизации при отжиге.
Напомним, что при кристаллизации серого чугуна графит растет из расплава в неблагоприятной для механических свойств форме разветвленных крабовидных розеток, сечения которых на шлифе имеют вид изогнутых пластин.
При отжиге белого чугуна графит называемый углеродом отжига, образуется в значительно более компактной, благоприятной для механических свойств форме. Хотя ковкий чугун и не куют, но относительное удлинение у него находится в пределах 2 — 20% (в зависимости от структуры), в то время как у белого чугуна относительное удлинение не превышает 0,2%, а у серого — не более 1,2%.
14.Структура указанных чугунов состоит из металлической основы аналогично стали (перлит и феррит) и неметаллических включений – графита.
Серый, ковкий и высокопрочный чугуны отличаются друг от друга в основном формой графитовых включений.
Это и определяет различие механических свойств указанных чугунов.