Структура и свойства железоуглеродистых сплавов

а) Техническое железо. Структура технического железа с концентрацией углерода 0,012 % (рис. 4.4.4) состоит из светлых полиэдрических зёрен феррита и цементита третичного, который расположен в виде светлых включений по границам зёрен феррита.

Феррит является пластичной и мягкой составляющей (800 НВ,
δ = 40 %). Цементит – твёрдый и хрупкий (8000 НВ, δ = 0 %). Наличие на границах зёрен прожилок цементита третичного понижает пластичность и вязкость сплава.

Рис. 4.4.4. Технические (двухфазное) железо

б) Стали. В процессе охлаждения из аустенита доэвтектоидных сталей выделяется феррит (рис. 4.4.5а). Температура, при которой начинает выделяться феррит, определяется линией GS (рис. 4.4.1).

Выделение феррита приводит к обогащению аустенита углеродом. При 727 °С концентрация углерода в аустените достигает 0,8 %, и в этих условиях имеет место эвтектоидная реакция А_S → П(Ф+ Ц).

Таким образом, структура доэвтектоидных сталей при комнатной температуре состоит из феррита, выделившегося в интервале температур Аr₃–Аr₁ (линии GS и РS), и перлита, образовавшегося при 727 °С.

В структуре доэвтектоидной стали цементита много больше, чем в техническом железе, и это повышает твёрдость стали (рис. 4.4.2).

Сталь с содержанием углерода 0,8 %, имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью. Перлит чаще всего имеет пластичное строение, при котором кристаллы цементита перемежаются с кристаллами феррита (рис. 4.4.5б). Увеличение содержание углерода повышает твердость, прочность, но снижает пластичность сплава.

Рис. 4.4.5. Структуры сталей: а) доэвтектоидная сталь, б) эвтектоидная сталь,
в) заэвтектоидная сталь

Структура заэвтектоидной стали так же формируется из аустенита. В интервале температур Аr_ст – Аr₁ (линии SE и SK) из аустенита выделяется цементит вторичный, который, как правило, располагается по границам зёрен. При 727 °С концентрация углерода в аустените будет соответствовать 0,8 % и он распадается с образованием перлита.

Таким образом, структура заэвтектоидной стали при комнатной температуре – перлит и цементит вторичный (рис. 4.4.5в). Доля цементитной составляющей возросла в сравнении с предыдущими сплавами. Теперь цементит не только входит в перлит (эвтектоид), но и твёрдость стали возрастает до 3200 НВ.

в) Чугуны. Белый эвтектический чугун кристаллизуется при 1147 °С (рис. 4.4.1, линия ЕСF) с образованием ледебурита:

Ж_{4,3 % С} → Л(А_{2,14 % С} + Ц_{6,67 % C}).

Охлаждение до 727 °С приводит к уменьшению концентрации углерода в аустените до 0,8 %. При 727 °С аустенит превращается в перлит.

Таким образом, эвтектический чугун (рис. 4.4.6б) при комнатной температуре имеет структуру ледебурита, состоящего из перлита и цементита. Основной фазой в белом чугуне является цементит и поэтому белый чугун твёрдый (6500 НВ).

Структура доэвтетических чугунов (рис. 4.4.6а) состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита, а заэвтектических чугунов (рис. 4.4.6в) – из ледебурита и цементита, выделившегося из жидкой фазы.

Рис. 4.4.6. Структуры белых чугунов: а – доэвтектический чугун, б – эвтетический чугун,
в – заэвтектический чугун

Зависимость свойств серых чугунов от структуры значительно сложнее, чем у стали, так как серые чугуны состоят из металлической основы и графитовых включений. Поэтому для характеристики структуры серого чугуна необходимо определи размеры, форму, распределение графита, а также структуру металлической основы (см. рис. 4.4.3).

Рис. 4.4.7. Серый перлито-ферритный чугун

Чем меньше графитовых включений, тем они мельче и сильнее изолированы друг от друга, тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической основе.

Металлическая основа серого чугуна СЧ 15 с содержанием углерода
3,1–3,6 % (рис. 4.4.7) состоит из феррита (белая составляющая) и перлита (тёмная составляющая). Грубо- или среднепластинчатые графитовые включения в виде тёмных полос разрезают металлическую основу. Поэтому такой серый чугун имеет низкую прочность при работе на растяжение и практически нулевую пластичность: σ_В = 150 МПа, δ = 0,5 %. Твердость определяется строением металлической основы и соответствует 1430–2290 НВ.

Рис. 4.4.8. Высокопрочный перлито-ферритный чугун

Высокопрочный чугун, в отличие от серого, имеет включения графита шаровидной формы, а не пластинчатой и, как следствие, более высокие механические свойства. Высокопрочные чугуны обладают:

· высоким пределом текучести σ_Т = 300–420 МПа, что выше предела текучести стальных отливок;

· высокой ударной вязкостью и усталостной прочность (до
σ_-1 = 230–250 МПА при перлитной основе).

Структура ВЧ 45 (рис. 4.4.8)с содержанием углерода 3,1–3,2 % состоит из феррита (светлая составляющая), перлита (тёмная составляющая) и графита шаровидной формы (тёмные округлые включения) (рис. 4.4.8). Прочность при растяжении σ_В = 450 МПа, относительное удлинение δ = 5 %. Твёрдость определяется металлической основой и соответствует 1400–2250 НВ.

Ковкий чугун имеет графит хлопьевидной формы. Это обеспечивает хорошие механические свойства. Структура КЧ 35–10 с содержанием 2,4–2,8 % С, состоит из светлых зёрен феррита и хлопьевидного графита (рис. 4.4.9).

Ферритная металлическая основа обеспечивает невысокую твёрдость (1490–1630 НВ). Прочность чугуна σ_В = 350 МПа, относительное удлинение δ = 10 %.

Рис. 4.4.9. Ковкий ферритный чугун

Порядок выполнения работы

1. Вычертить диаграмму «Fe−Fe₃C» с указанием температур превращений и концентраций углерода для характерных точек.

2. Указать фазы и структурные составляющие в различных областях диаграммы.

3. Подготовить к работе металлографический микроскоп. Изучение микроструктуры железоуглеродистых сплавов производить при необходимых увеличениях.

4. Просмотреть предложенные шлифы, выбрать наиболее характерные участки и зарисовать в отчете. Определить тип сплава, примерное или точное содержание углерода, основные механические свойства.

3. Контрольные вопросы

1. Определение феррита, аустенита, цементита, графита.

2. Определение перлита, ледебурита.

3.Что такое техническое железо, сталь, чугун?

4. Каково отличие в структуре белого чугуна от серого, высокопрочного, ковкого?

5. Как получают чугун серый, ковкий, высокопрочный?

6. Как и почему меняется твёрдость сплавов по мере увеличения концентрации углерода?

7. По микрофотографии, предложенной преподавателем, определите тип сплава (техническое железо, сталь, чугун), структурный и фазовый состав, пределы содержания углерода.

8. По диаграмме «Железо − цементит» опишите процессы, протекающие в сталях и белых чугунах при кристаллизации.