Диаграмма железо – углерод

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны, важнейшие металлические сплавы современности. Стали представляют собой сплавы, в которых максимальное содержание углерода не превышает 2,14 %, в чугунах содержание его находится в пределах 2,14…6,67 %.В период существования СССР страна занимала первое место в мире по производству стали – 150 млн. т в год. Расходовалась сталь на нужды оборонной промышленности (до 60 млн. т), рельсы и вагоны – 20 млн. т, машиностроение – 20 млн. т и т.д. Такой пример приведен для того, чтобы показать развитие цивилизации, в которой мы находились 1,5 млн. лет.На ранней стадии развития человеческого общества человечество не знало применения металлов, основными орудиями был камень, палка, которые едва защищали его от внешней среды, поэтому этот период затянулся на сотни веков. Совершенно случайно в руки человека попал металлический предмет, который он нашел на поверхности – это было золото, которое, как известно, находится в природе в свободном состоянии. Потом вблизи вулканов человек нашел в большом количестве медь, выброшенную на поверхность при извержении. Так в руках человека около 10 – 20 тыс. лет назад появился металл – это был медный и бронзовый века.Железо в руках человечества в большом количестве появилось 3 тыс. лет тому назад. Многие исследователи этот период связывают с новой эрой. С этого времени начинается новый период развития человеческого общества, так как железо сыграло в этом решающую роль. Постепенно накапливались знания об этом металле.Хотя первые летописные упоминания о железе появились в средние века, но началом развития науки «Металловедение» можно считать появление систематических публикаций об этом. В 1868 г. появилась работа российского ученого Дмитрия Константиновича Чернова под названием «Критический обзор работ Калакуцкого о стали и стальных орудиях». В своих работах он представил данные о критических точках в стали (1916 г.), которые легли в основу современной диаграммы состояния железо–цементит.

Углерод растворим в железе в твердом и жидком состоянии с образованием твердых растворов либо химического соединения в зависимости от температуры и процентного содержания углерода. В процессе кристаллизации образуются следующие структурные составляющие:

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ. Кристаллическая решетка – гранецентрированный куб (ГЦК). Аустенит при температурах 18 – 24 ^оС в железоуглеродистых сплавах отсутствует. Аустенит обладает высокой пластичностью и низкой твердостью, хорошо подается горячей обработке давлением (штамповке и прокатке).

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_α (С до 0,02%). Кристаллическая решетка ОЦК. Феррит обладает высокой пластичностью и малой твердостью. Хорошо поддается обработке давлением в холодном состоянии.

Цементит (Ц) – Представляет собой химическое соединение - карбид железа Fe₃C, содержащее 6,67%С. Самая твердая и хрупкая составляющая железоуглеродистых сплавов. Сплавы из чистого цементита на практике не применяются.

Перлит (П) – механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83%С. Перлит образуется при перекристаллизации аустенита при температуре 723^оС. Перлит присутствует во всех железоуглеродистых сплавов при температуре ниже 723^оС, обладает высокой прочностью и твердостью. Чем меньше включения феррита и цементита в перлите, тем выше его показатели механических свойств.

Ледебурит (Л) – механическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при кристаллизации жидкого сплава с содержанием углерода 4,3%. Ледебурит обладает высокой прочностью и хрупкостью, хорошими литейными свойствами. Ледебурит содержится во всех высокоуглеродистых сплавах, называемых белыми чугунами.

Графит – углерод в свободном состоянии располагается в основной массе металла в виде пластинок. При определенных условиях можно получить графит шаровидной или хлопьевидной формы, например, при распаде цементита. Гексагональная кристаллическая решетка.

В железоуглеродистых сплавах существуют две высокоуглеродистые фазы: метастабильная (относительно устойчивая, которая вод воздействием из вне может перейти в более устойчивую) – цементит и стабильная – графит. Поэтому различают две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов, метастабильную: железо – цементит и стабильную: железо – углерод (графит).

Все линии на диаграмме состояния соответствуют критическим точкам, то есть температурам, при которых происходят фазовые и структурные превращения в железоуглеродистых сплавах.

Линия ABCD - линия начала кристаллизации сплава (ликвидус), линия AHJECF - линия конца кристаллизации сплава (солидус).

В области диаграммы HJCE находится смесь двух фаз: жидкого раствора и аустенита, а в области CFD - жидкого раствора и цементита. В точке С при содержании 4,3%С и температуре 1130°С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита и образуется их механическая смесь - ледебурит. Ледебурит присутствует во всех сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С (чутуны).

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,0%С).

В области диаграммы AGSF находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением по линии GS феррита, а по линии SE - вторичного цементита. Линии GS и PS имеют большое практическое значение для установления режимов термической обработки сталей. Линию GS называют линией верхних критических точек, а линию PS -нижних критических точек.

В области диаграммы GSP находится смесь двух фаз - феррита и распадющегося аустенита, а в области диаграммы SEE' - смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита.

В точке S при содержании 0,8%С и при температуре 723°С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита - перлит. Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и образованию перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит.

Структурные превращения в сплавах, находящихся в твердом состоянии, вызваны следующими причинами: изменением растворимости углерода в железе в зависимости от температуры сплава (QP и SE), полиморфизмом железа (PSK) и влиянием содержания растворенного углерода на температуру полиморфных превращений (растворение углерода в железе способствует расширению температурной области существования аустенита и сужению области феррита).

Диаграмма стабильного равновесия Fe - Fе₃С, обозначенная на рисунке пунктиром, отображает возможность образования высокоуглеродистой фазы - графита - на всех этапах структурообразования в сплавах с повышенным содержанием углерода. Диаграмма состояния стабильной системы железо - графит отличается от метастабильной системы железо-цементит только в той части, где в фазовых равновесиях участвует высокоуглеродистая фаза (графит или цементит).

На диаграмме состояния различают две области: стали и чугуны. Условия принятого разграничения - возможность образования ледебурита (предельная растворимость углерода в аустените):

• стали - до 2,14% С, не содержат ледебурита;

• чугуны - более 2,14%С, содержат ледебурит.

В зависимости от содержания углерода (%) железоуглеродистые сплавы получили следующие названия:

• менее 0,83 - доэвтектоидные стали;

• 0,83 - эвтектоидные стали;

• 0,83...2 - заэвтектоидные стали;

• 2...4,3 - доэвтектические чугуны;

• 4,3...6,67 - заэвтектические чугуны.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо — цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются буквой А (от французского arret — остановка):

А1 — линия PSK (727⁰С) — превращение П --А;

A2 — линия MO (768⁰С, т. Кюри) — магнитные превращения;

A3 — линия GOS ( переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) — превращение Ф-- А;

A4 — линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) — превращение А—Ф(δ);

Acm — линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) — начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A3).

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е Аc1, при охлаждении — букву r, т.е. Аr1.

Чугуны.

Чугуном считается сплав с содержанием углерода более 2,14%. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита или одновременно в виде цементита и графита. Цементит придает излому специфический белый блеск, поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита называется белым. Графит придает излому серый цвет, поэтому чугун называют серым.

Белый чугун обладает большой твердостью и хрупкостью, практически не поддается обработке режущим инструментом и относится к передельным чугунам, предназначенным для выплавки литейных чугунов и стали. В зависимости от формы графита в чугуне их различают: серый, высокопрочный и ковкий.

Серый чугун

В сером чугуне весь углерод или его часть содержится в виде графита пластинчатой формы. В зависимости от степени распада цементита серый чугун различают:

- половинчатый (большая часть углерода находится в виде цементита);

- перлитный (структура чугуна перлит и пластинчатый графит, причем 0,7 – 0,8% углерода находится в виде цементита);

- ферритоперлитиый (структура чугуна феррит, перлит и пластинчатый графит);

- ферритный (структура чугуна феррит и пластинчатый графит). В ферритном чугуне весь углерод находится в виде графита.

Свойства серого чугуна зависят от структуры металлической основы и от формы, размера и количества графитных включений. Чем меньше в металлической основе феррита, тем выше прочность чугуна. Пластинчатые включения графита нарушают однородность металлической основы, играя роль надрезов. Лучшими механическими свойствами обладает чугун со структурой перлита, содержащий графит в виде мелких, равномерно распределенных пластинок.

Серый чугун маркируют буквами и цифрами. Буква С обозначает серый, Ч — чугун, цифры после букв указывают среднее временное сопротивление при растяжении (кгс/мм²), например СЧ18. Нередко серые чугуны подвергают модифицированию добавлением в них перед разливкой специальных добавок-—модификаторов (75%-ный ферросилиций, силикокалыций и др.).

Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими литейными свойствами. В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок (ГОСТ 1412). Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию.

Серые чугуны содержат углерода — 3,2…3,5 %; кремния — 1,9…2,5 %; марганца —0,5…0,8 %; фосфора — 0,1…0,3 %; серы — < 0,12 %.

Структура металлической основы зависит от количества углерода и кремния. С увеличением содержания углерода и кремния увеличивается степень графитизации и склонность к образованию ферритовой структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.

Высокопрочный чугун

Высокопрочные чугуны обозначаются индексом ВЧ и ранее до 1985 года двумя числами. Первое показывает значение предела прочности на растяжение (кгс/мм²), второе относительное удлинение в %, ВЧ 50-2. По ГОСТ 7293-85 высокопрочный чугун обозначается только первой цифрой.

Из высокопрочного чугуна изготавливают тяжелонагруженные детали: коленчатые валы двигателей, тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы. Высокопрочные чугуны могут иметь ферритную (ВЧ 35), феррито-перлитную (ВЧ 45) и перлитную (ВЧ 80) металлическую основу. Получают эти чугуны из серых, в результате модифицирования магнием или церием (добавляется 0,03…0,07% от массы отливки). По сравнению с серыми чугунами, механические свойства повышаются, это вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряжений из-за шаровидной формы графита.

Чугуны с перлитной металлической основой имеют высокие показатели прочности при меньшем значении пластичности. Соотношение пластичности и прочности ферритных чугунов - обратное. Высокопрочные чугуны обладают высоким пределом текучести, что выше предела текучести стальных отливок. Также характерна достаточно высокая ударная вязкость и усталостная прочность, при перлитной основе.

Высокопрочные чугуны содержат: углерода — 3,2…3,8 %, кремния — 1,9…2,6 %, марганца — 0,6…0,8 %, фосфора — до 0,12 %, серы — до 0,3 %. Эти чугуны обладают высокой жидкотекучестью, линейная усадка — около 1%. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна. Из-за высокого модуля упругости достаточно высокая обрабатываемость резанием. Обладают удовлетворительной свариваемостью.

Ковкий чугун

Получают отжигом белого доэвтектического чугуна. Ковкие чугуны содержат: углерода — 2,4…3,0 %, кремния — 0,8…1,4 %, марганца — 0,3…1,0 %, фосфора — до 0,2 %, серы — до 0,1 %. Формирование окончательной структуры и свойств отливок происходит в процессе отжига. Отливки выдерживаются в печи при температуре 950…1000⁰ С в течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита на углерод (графит), который выделяется в виде хлопьев (графитизация) и железо.

Структура после выдержки состоит из аустенита и графита (углерод отжига).При медленном охлаждении в интервале 760…720^oС, происходит разложение цементита, входящего в состав перлита, и структура после отжига состоит из феррита и углерода отжига (получается ферритный ковкий чугун).

При относительно быстром охлаждении вторая стадия полностью устраняется, и получается перлитный ковкий чугун. Структура отожженного чугунасостоит из перлита, феррита и графита отжига (получается феррито-перлитный ковкий чугун). Отжиг является длительной (70…80) часов и дорогостоящей операцией. В последнее время, в результате усовершенствований, длительность сократилась до 40 часов.

Различают 7 марок ковкого чугуна: три с ферритной (КЧ 30 — 6) и четыре с перлитной (КЧ 65 — 3) основой (ГОСТ 1215). По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.

Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы. Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.

Обозначаются индексом КЧ (ковкий чугун) и двумя числами, первое из которых показывает значение предела прочности, а второе — относительное удлинение - КЧ 30 - 6.

В промышленности находят применение специальные чугуны, обладающие специальными свойствами. Жаростойкие легированные кремнием, коррозионностойкие, легированные кремнием, хромом и молибденом, немагнитные, легированные никелем.