Техническое железо и стали

Фазовое состояние и формирование структуры технического железа и сталей описывается метастабильной диаграммой Fe - Fe₃C (рисунок 4.2).

Чистое железо кристаллизуется при постоянной температуре (т. А на диаграмме железо-углерод). Кроме того, при понижении температуры, в нем развиваются 2 полиморфных превращения δ → γ и γ → α, соответственно, при температурах критических точек, соответствующих точкам N и G на диаграмме железо-углерод. Схема формирования структуры выглядит в виде линейной цепи процессов (табл. 4.1).

Таблица 4.1 - Схема фазовых и структурных превращений в чистом железе

Исходное состояние системы	Условия развития превращения
t=const в т. A	t=const в т. N	t=const в т. G
Фазовый состав	L	→	δ	→	γ	→	α
Структура	Ж	→	Fe _δ	→	Fe _γ	→	Fe _α

Техническое железо отличается от чистого железа тем, что кристаллизация и фазовые превращения развиваются по типу формирования структуры твердых растворов. Каждое из указанных превращений развивается в интервале температур (таблица 4.2). Конечная структура технического железа (сплава с содержанием углерода до 0,02%): феррит и третичный цементит (рисунок 4.8, а, б).

Таблица 4.2 - Схема фазовых и структурных превращений в техническом железе

Исходное состояние системы	Условия развития превращения
Δt ниже линии AВ	Δt ниже линии NН	Δt ниже линии GS	Δt ниже линии PQ
Фазовый состав	L	→	δ	→	γ	→	α	→	α + Fe₃C_ш
Структура	Ж	→	Ф_δ	→	А	→	Ф	→	Ф + Ц_ш

В техническом железе за счет полиморфных превращений при охлаждении ниже линии NH идет образование аустенита, а затем (ниже линии GS) феррита. При охлаждении до температур ниже линии PQ растворимость углерода в феррите уменьшается, и поэтому из феррита выделяется третичный цементит Fe₃C_III в виде тонких светлых прожилок по границам светлых зерен феррита (рисунок 4.8).

Если в техническом железе содержание углерода менее 0,006%, то оно имеет структуру феррита. Выделения цементита по границам очень вредны, т.к. придают материалу хрупкость.

Если в сталях содержание углерода находится в пределах: 0,02 < C < 0,8%, то их называют доэвтектоидными. Типичной конечной структурой доэвтектоидной стали является смесь феррита и перлита (рисунок 4.9, а,б,в).

Рисунок 4.8. Микроструктура технического железа: а – чистое железо; б – технически чистое железо (феррит + третичный цементит)

Рисунок 4.9. Схема микроструктуры доэвтектоидной стали при содержании углерода, %: а - 0,15; б - 0,4; в - 0,65

Все стали, как и техническое железо, кристаллизуются по типу твердого раствора. При этом в зависимости от содержания углерода при кристаллизации образуется d-феррит (до 0,1 % С) или аустенит (от 0,1 до 2,14% С). В доэвтектоидных сталях при изменении содержания углерода от 0,1% до 0,51% по массе идет перитектическое превращение (1496 ˚С), завершающееся образованием аустенита (0,16% С), аустенита с избыточным d - ферритом (0,1 < C < 0,16), аустенита и избыточной жидкостью (0,16 < C < 0,51). Если содержание углерода в стали изменяется от 0,51% до 2,14%, то первично кристаллизуется аустенит. После завершения всех этапов кристаллизации ниже линии солидус в техническом железе и стали формируется однофазная аустенитная структура.

В зависимости от содержания углерода в стали, формирование ее структуры при охлаждении происходит по следующим цепочкам превращений (таблицы 4.3 - 4.7).

Таблица 4.3 - Схема фазовых и структурных превращений в стали с содержанием углерода 0,02 – 0,1% С

Исходное состояние системы	Условия развития превращения
Δt Ниже линии AВ	Δt Ниже линии NН	Δt Ниже линии GS	t=const На линии PSK	Δt Ниже линии PQ
Фазовый состав	L	→	δ	→	γ	→	γ + α	→ →	(α +Fe₃C)_э + α	→ →	(α +Fe₃C)_э + α + Fe₃C_ш
Структура	Ж	→	Ф_δ	→	А	→	А+Ф	→	П+Ф	→	П+Ф+Ц_ш

Таблица 4.4 - Схема фазовых и структурных превращений в стали с содержанием углерода 0,1 – 0,16 % С

Исходное состояние системы

Условия развития превращения

Δt Ниже линии AВ

t=const На линии HIB

Δt Ниже линии HIB

Δt Ниже линии GS

t=const На линии PSK

Δt Ниже линии PQ

Фазовый состав

→

L + δ

→

γ + δ

→

γ + α

→ →

(α +Fe₃C)_э + α

→ →

(α +Fe₃C)_э + α + Fe₃C_ш

Структура

→

Ж+ Ф_δ

→

Ж+ А

→

А+Ф

→

П+Ф

→

П+Ф+Ц_ш

Таблица 4.5 - Схема фазовых и структурных превращений в стали с содержанием углерода 0,16 % С

Исходное состояние системы	Условия развития превращения
Δt Ниже линии AВ	t=const В точке I	Δt Ниже линии GS	t=const На линии PSK	Δt Ниже линии PQ
Фазовый состав	L	→	L + δ	→	γ	→	γ + α	→ →	(α +Fe₃C)_э + α	→ →	(α +Fe₃C)_э + α + Fe₃C_ш
Структура	Ж	→	Ж+ Ф_δ	→	А	→	А+Ф	→	П+Ф	→	П+Ф+Ц_ш

Таблица 4.6 - Схема фазовых и структурных превращений в стали с содержанием углерода 0,16 – 0,51 % С

Исходное состояние системы

Условия развития превращения

Δt Ниже линии AВ

t=const На линии HIB

Δt Ниже линии HIB

Δt Ниже линии GS

t=const На линии PSK

Δt Ниже линии PQ

Фазовый состав

→

L + δ

→

L + γ

→

γ + α

→ →

(α +Fe₃C)_э + α

→ →

(α +Fe₃C)_э + α

+ Fe₃C_ш

Структура

→

Ж+ Ф_δ

→

Ж+ А

→

А+Ф

→

П+Ф

→

П+Ф+Ц_ш

Примечание:

- структурно не выявляется

Таблица 4.7 - Схема фазовых и структурных превращений в стали с содержанием углерода 0,51 – 0,8 % С

Исходное состояние системы	Условия развития превращения
Δt Ниже линии BС	Δt Ниже линии GS	t=const На линии PSK	Δt Ниже линии PQ
Фазовый состав	L	→	γ	→	γ + α	→ →	(α +Fe₃C)_э + α	→ →	(α +Fe₃C)_э + α
									+ Fe₃C_ш
Структура	Ж	→	А	→	А+Ф	→	П+Ф	→	П+Ф+Ц_ш

Примечание:

- структурно не выявляется

Как видно из приведенных схем формирования структуры сплавов, техническое железо и стали после завершения кристаллизации при охлаждении в широком интервале температур, получают структуру – аустенит. Снижение температуры ниже критических точек вызывает развитие превращений в твердом состоянии.

Фазовая перекристаллизация аустенита идет в две стадии: полиморфное превращение g Û a (ниже линии GS) и эвтектоидное превращение g_SÛ (a_P+ Fe₃C)_э(на линии PSK). Перлит имеет пластинчатое строение. Конечная структура доэвтектоидных сталей при комнатной температуре – феррит и перлит. В зависимости от содержания углерода соотношение количества феррита и перлита изменяется от 100% феррита в техническом железе до 100% перлита в эвтектоидной стали. При этом меняется тип структуры.

При содержании углерода до 0,1-0,3% основу структуры составляет феррит с включениями перлита преимущественно на стыках зерен феррита (рисунок 4.9, а).

Увеличение содержания углерода в стали до 0,4-0,5 % приводит к тому, что количество феррита и перлита в структуре будет почти одинаково (рисунок 4.9, б). При содержании углерода 0,5 % и выше основу стали составляет перлит с выделением феррита преимущественно по границам зерен. Если углерода в стали 0,6 - 0,8 % феррита становится настолько мало, что он просматривается в виде тонкой ферритной сетки по границам перлитных колоний (рисунок 4.9, в). При ускоренном охлаждении такой стали (неравновесные условия) уменьшается доля выделяющегося избыточного феррита, а структура становится подобной эвтектоидной. Такую структуру называют квазиэвтектоидом.

Таким образом, с повышением содержания углерода в стали увеличивается количество перлита, а значит повышается ее прочность и уменьшается пластичность.

Стали с содержанием углерода 0,8% называют эвтектоидными. Структура такой стали: пластинчатый или зернистый перлит (рисунок 4.10).

Рисунок 4.10. Микроструктура эвтектоидной стали, ´ 500: а - пластинчатый перлит; б - зернистый перлит

Формирование структуры эвтектоидной стали происходит по схеме (табл.4.8).

Основное превращение в эвтектоидной стали - это распад аустенита при переохлаждении ниже 727^˚С (точка S на диаграмме железо-углерод) на эвтектоид – перлит (феррито-цементитная смесь). Чаще перлит имеет пластинчатое строение – широкие пластины феррита и узкие цементита (рисунок 4.10, а).

Таблица 4.8 - Схема фазовых и структурных превращений в стали с содержанием углерода 0,8 % С

Исходное состояние системы	Условия развития превращения
Δt Ниже линии BС	t=const В точке S
Фазовый состав	L	→	γ	→	(α +Fe₃C)_э
Структура	Ж	→	А	→	П

При наиболее медленном охлаждении сплава (десятые доли градуса в минуту) эвтектоид может получить зернистое строение. Форма цементита в составе перлита определяется особенностями диффузионного перераспределения углерода в аустените в период его эвтектоидного распада (рисунок 4.10, б).

Содержание углерода в заэвтектоидной стали 0,8 < C < 2,0%. Ее типичная структура в равновесном состоянии (рисунок 4.11) – перлит и вторичный цементит в виде сетки по границам зерен или (реже) в виде игл. Светлая сетка вторичного цементита выделяется из аустенита при переохлаждении от температур аустенитной области ниже линии SE.

Рисунок 4.11. Микроструктура заэвтектоидной стали: отожженное состояние

Формирование структуры заэвтектоидной стали развивается по следующей схеме (таблица 4.9).

Таблица 4.9 - Схема фазовых и структурных превращений в заэвтектоидной стали с содержанием углерода 0,8 – 2,14 % С

Исходное состояние системы	Условия развития превращения
Δt Ниже линии BС	Δt Ниже линии SЕ	t=const На линии PSK
Фазовый состав	L	→	γ	→	γ + Fe₃C_II	→ →	(α +Fe₃C)_э + Fe₃C_II
Структура	Ж	→	А	→	А+Ц_II	→	П+ Ц_II

Цикл структурных и фазовых превращений, соответствующий кристаллизации, не отличается от эвтектоидной стали. Кристаллизация завершается образованием аустенита. Охлаждение в интервале температур, ниже линии SЕ вызывает пересыщение аустенита углеродом и выделение из него избыточного вторичного цементита. При переохлаждении ниже 727 ˚С оставшийся аустенит распадается с образованием эвтектоида – перлита. Чем больше углерода в заэвтектоидной стали, тем больше в ней вторичного цементита, максимальное содержание которого достигает 20 % (в стали состава точки Е). Это приводит к увеличению толщины цементитной сетки. Такой характер структуры уменьшает пластичность стали. Ускоренное (неравновесное) охлаждение так же, как и в доэвтектоидных сталях, может приводить к образованию квазиэвтектоида, что уменьшает склонность стали к хрупкому разрушению.

В структуре сталей часто можно обнаружить структурные дефекты, такие как видманштетова структура и строчечность.


Рисунок 4.12. Микроструктура доэвтектоидной стали в литом состоянии (видманштеттова структура)	Рисунок 4.13. Микроструктура доэвтектоидной стали в горячекатаном состоянии (строчечная структура)

При ускоренном охлаждении доэвтектоидной стали из аустенитной области ниже линии GS полиморфное превращение g ® a идет в условиях частичной когерентности решеток исходного аустенита и образующегося феррита, при котором происходит ориентированный рост кристаллов феррита относительно подобных кристаллографических плоскостей в составе аустенита. В результате в структуре феррит выглядит в виде скопления игл (фактически – пластин), которые могут пересекаться (рисунок 4.12). Такая структура (видманштеттов феррит) груба, крупнозерниста, с низкой пластичностью, невысокой твердостью, поэтому нежелательна. Видманшеттова структура может наблюдаться в перегретых поковках, перегретой околошовной зоне сварных швов, после перегрева при термообработке с ускоренным охлаждением. В доэвтектоидной стали в горячекатаном состоянии может образовываться строчечная структура в виде вытянутых полос перлита и феррита (рисунок 4.13). Такая структура образуется в том случае, если горячую пластическую деформацию доэвтектоидной стали заканчивают ниже линии GS диаграммы Fe - Fe₃C, что соответствует температуре двухфазной аустенитно-ферритной области (преимущественно 730 – 800 ˚С). В такой стали зерна феррита и колонии перлита вытянуты вдоль направления прокатки. Это вызывает анизотропию свойств.

Чугуны

Белые чугуны. Фазовое состояние белых чугунов описывает метастабильная диаграмма железо- углерод в области концентраций углерода от 2 до 6,67 % (рисунок 4.2). Чугун с содержанием углерода 4,3 % называется эвтектическим; если в нем содержится углерода более 4,3 % – заэвтектическим, а если менее 4,3 % – доэвтектическим.

Конечная структура эвтектического чугуна (С= 4,3 %): ледебурит. На кривой охлаждения такого чугуна имеются две критические точки. Формирование структуры можно описать структурной цепочкой согласно таблице 4.10.

Таблица 4.10 - Схема фазовых и структурных превращений в эвтектическом чугуне с содержанием углерода 4,3 % С

Исходное состояние системы	Условия развития превращения
t=const В точке С	t=const На линии PSK
Фазовый состав	L	→	(γ+Fe₃C)_э	→	[(α +Fe₃C)_э+Fe₃C]_э
Структура	Ж	→	Л	→	Л

При охлаждении жидкого чугуна эвтектического состава до точки С жидкий раствор, являющийся ненасыщенным по обоим компонентам, по достижении температуры 1147 °С становится насыщенным, а при последующем переохлаждении – пересыщенным как по железу, так и по углероду. В связи с этим при переохлаждении ниже точки С будет идти одновременная кристаллизация аустенита и цементита в виде взаимно прорастающих и разветвляющихся кристаллов с характерным регулярным строением, основу которого составляет цементитный кристалл, пронизанный ветвями аустенита. Такая эвтектическая структура (рисунок 4.14) носит название ледебурит.

Переохлаждение такой структуры ниже 727 °С приводит к распаду аустенита в составе ледебурита на перлит. Поэтому, после охлаждения ниже указанной температуры ледебурит оказывается состоящим из перлита и цементита с прежним внешним эвтектическим строением, сформировавшимся при кристаллизации.

Ледебурит в чугуне может иметь пластинчатое (пакетное) или, наиболее часто, сотовое строение.

В плоскости шлифа сечения ветвей аустенитного (перлитного) дендрита часто выглядят как изолированные участки перлита в цементитной матрице.

Рисунок 4.14. Структура эвтектического чугуна (ледебурит)

В ряде случаев, эвтектические колонии ледебурита на периферии имеют весьма грубое строение, так что распавшийся аустенит кажется обособленным от эвтектики и его можно принять ошибочно за первичные выделения аустенита, как в доэвтектических чугунах.

Доэвтектический чугун (сплав с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %) имеет структуру: перлит, ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит. Формирование структуры доэвтектического чугуна определяется процессами кристаллизации (таблица 4.11).

В доэвтектических чугунах из жидкой фазы по механизму кристаллизации твердых растворов выделяется в дендритной форме первичный аустенит.

Это приводит к обогащению оставшейся жидкости углеродом, концентрация которого в ней при температуре 1147 °С достигает 4,3%.

Таблица 4.11. Схема фазовых и структурных превращений в доэвтектическом чугуне с содержанием углерода 2,14 – 4,3 % С

Исходное состояние системы	Условия развития превращения
Δt Ниже линии BС	t=const На линии ECF	Δt Ниже линии ECF	t=const На линии PSK
Фазовый состав	L	→	L + γ	→ →	(γ+Fe₃C)_э + γ	→ →	(γ+ Fe₃C)_э + γ + Fe₃C_п	→ → →	[(α +Fe₃C)_э+ Fe₃C]_э+ (α +Fe₃C)_э + Fe₃C_п
Структура	Ж	→	Ж +А	→	Л+А	→	Л+А+Ц_п	→	Л+П+Ц_п

Эта жидкость будет предельно насыщенной железом и углеродом аналогично эвтектическому чугуну. Дальнейшее переохлаждение сплава ниже 1147 °С вызывает развитие эвтектической кристаллизации жидкости по реакции:

L_С Û (g_Е+ Fe₃C)_э.

При охлаждении в интервале температур 1147- 727 °С аустенит обедняется углеродом и его состав изменяется по линии ES. Это приводит к выделению вторичного цементита. При переохлаждении ниже 727 °С аустенит состава точки S распадается на эвтектоидную смесь, которая имеет внешние очертания аустенита. Чем больше в чугуне углерода, тем меньше в его структуре перлита и больше ледебурита (рисунок 4.15).

Вторичный цементит, выделяющийся по границам зерен первичного аустенита, сливается с цементитом ледебурита. Под микроскопом можно увидеть только иглы вторичного цементита, пронизывающие распавшийся аустенит (перлит).

Рисунок 4.15. Микроструктура доэвтектического белого чугуна

Итак, в доэвтектических белых чугунах можно увидеть три структурные составляющие – распавшийся первичный аустенит (перлит), вторичный цементит и ледебурит. Причем, аустенит, который входит в состав ледебурита так же, как и первичный аустенит, выделяет вторичный цементит и затем образует эвтектоид. При этом в мелких частицах распавшегося внутриледебуритного аустенита при малых увеличениях трудно рассмотреть эвтектоидные колонии и выделение вторичного цементита. В микроскопе они представляют собой хорошо травящиеся темные включения. Структуру и кривую охлаждения, подобную данному сплаву, имеют чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %.

Заэвтектический чугун (4,3 < С< 6,67%) имеет структуру: смесь кристаллов первичного цементита и ледебурита. Схема формирования структуры включает, как и в предыдущих случаях, процессы кристаллизации и фазовых превращений в твердом состоянии (таблица 4.12).

Таблица 4.12. Схема фазовых и структурных превращений в заэвтектическом чугуне с содержанием углерода 4,3 – 6,67 % С

Исходное состояние системы	Условия развития превращения
Δt Ниже линии СD	t=const На линии ECF	t=const На линии PSK
Фазовый состав	L	→	L + Fe₃C_I	→	(γ+Fe₃C)_э + Fe₃C_I	→ →	[(α +Fe₃C)_э+ Fe₃C]_э+ Fe₃C_I
Структура	Ж	→	Ж +Ц_I	→	Л+ Ц_I	→	Л+ Ц_I

Процесс кристаллизации заэвтектического чугуна начинается с выделения из расплава кристаллов первичного цементита в виде плоских дендритов, дающих в сечении шлифа вытянутые полоски, похожие на иглы (рисунок 4.16). Первичная кристаллизация заканчивается образованием ледебурита. Далее идут процессы такие же, как и в доэвтектическом чугуне. При комнатной температуре в сплаве две структурные составляющие – первичный цементит и ледебурит.

Рисунок 4.16. Структура заэвтектического белого чугуна

Фазовый состав белых чугунов при комнатной температуре такой же, как и у отожженных углеродистых сталей: феррит и цементит.

Серые (литейные) чугуны Серые литейные чугуны получают при меньшей скорости кристаллизации, чем белые чугуны, поэтому процесс формирования их структуры описывается стабильной диаграммой состояния железо - углерод (рисунок 4.1, 4.3), где пунктирные линии показывают фазовые равновесия с графитом. В сером чугуне жидкость состава точки С¢ кристаллизуется в виде эвтектики, состоящей из аустенита и графита:

L_С_¢ Û (g_Е_¢ + Г)_э.

Эвтектические колонии растут как бикристалл, состоящий из графита (ведущая фаза), который растет в виде разветвленного крабовидного кристалла, и аустенита, отлагающегося на поверхности графитового скелета. На шлифе сечения разветвленных крабовидных кристаллов графита видны как изолированные включения в аустенитной матрице (рисунок 4.17).

Формы и размеры таких выделений зависят от формы и разветвленности графитного скелета эвтектической колонии. С изменением условий кристаллизации изменяется форма графита. На шлифе он выглядит в виде грубых или дисперсных изогнутых прожилок, завихренных включений, точечных выделений. Так как графит мягкий, то он плохо полируется и рассеивает свет, поэтому выглядит в виде темных включений на светлом фоне нетравленого шлифа. По нетравленому шлифу оценивают форму и дисперсность графита, которые сильно влияют на механические свойства серого чугуна. В доэвтектических серых чугунах (сплавы с содержанием углерода от 2,03 до 4,25 %) первично кристаллизуются дендриты аустенита (см. рисунок 4.17, б), а затем - эвтектика аустенит- графит. Цепочки фазовых и структурных превращений, протекающих в стабильной системе, можно проанализировать самостоятельно, опираясь на аналогичные методы, рассмотренные выше для метастабильной диаграммы железо-цементит.


а	б	в
Рисунок 4.17. Форма и расположение графита в структуре серых чугунов: а - эвтектическом; б - доэвтектическом; в - заэвтектическом

В заэвтектических серых чугунах (сплавы с содержанием углерода более 4,25 %) первично кристаллизуется графит. Он, как и эвтектический, растет в форме разветвленных кристаллов, которые видны на шлифе в виде грубых кристаллов (см. рисунок 4.17, в). Оставшаяся жидкость кристаллизуется как эвтектическая. Кристаллы первичного графита более грубые по сравнению с эвтектическими. После завершения кристаллизации в твердом состоянии аустенит изменяет свой состав по линии E¹S¹ и из него выделяется вторичный графит, осаждающийся на ранее образовавшихся первичных и эвтектических кристаллах графита, что практически не изменяет структуры чугуна.

Переохлаждение аустенита состава точки S′ (0,69% С) ниже эвтектоидной температуры 738 °С вызывает развитие эвтектоидной реакции с образованием феррито-графитной смеси:

g_S_¢ Û (a_P_¢ + Г)_э.

Феррито-графитная смесь, образующаяся по эвтектоидной реакции, характеризуется более тонким строением. При очень малых степенях переохлаждения эвтектоидный графит может отлагаться на ранее образовавшихся первичных или эвтектических кристаллах графита, аналогично вторичному, принципиально не изменяя структуру чугуна. По структуре трудно подразделить серые чугуны на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Серые чугуны подразделяются по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации, которую оценивают по количеству свободного выделившегося (не связанного) углерода (рисунок 4.18). Если графитизация в твердом состоянии прошла полностью, то чугун содержит две фазовые составляющие - графит и феррит. Такой чугун называют серым чугуном на ферритной основе.


а	б	в
Рисунок 4.18. Серый чугун на различной металлической основе: а - ферритный; б - перлитный; в - феррито-перлитный

Если эвтектоидный распад аустенита прошел не в соответствии со стабильной диаграммой (g_S_¢ Û (a_P_¢ + Г)_э), а в соответствии с метастабильной (g_SÛ (a_P+ Fe₃C)_э.), то структура чугуна состоит из графита и перлита. Чугун с такой структурой называют серым чугуном на перлитной основе. Увеличение доли химически связанного углерода в чугуне вызывает рост его прочностных свойств, уменьшение пластичности. Если при кристаллизации серого чугуна аустенит частично распадается по эвтектоидной реакции на феррит и графит, а частично - на феррит и цементит, т.е. перлит, то чугун содержит графит, феррит и перлит. Такой чугун называют серым чугуном на феррито-перлитной основе. Полнота графитизации зависит от многих факторов, но, прежде всего, от скорости охлаждения и состава сплава. При быстром охлаждении кинетически более выгодно образование цементита, а не графита. С уменьшением скорости охлаждения возрастает степень графитизации. Кремний в чугуне способствует графитизации, аналогично замедлению охлаждения, а марганец затрудняет графитизацию.

Серые чугуны содержат повышенное количество фосфора, который увеличивает жидкотекучесть, дает тройную эвтектику (g + Fe₃C + Fe₃P)_э. В металлической основе серого чугуна фосфидная эвтектика (стадит) видна в виде светлых хорошо очерченных участков.

Серые чугуны имеют невысокие механические свойства, потому что пластинчатые ответвления крабовидных образований графита действуют как надрезы в металлической основе.

Высокопрочные и ковкие чугуны. Модифицирование серого чугуна магнием приводит к образованию глобулярного графита. В структуре такого чугуна большое количество мелких округлых включений графита. Такой чугун называется высокопрочным серым чугуном. Модифицирование повышает прочностные и, особенно, пластические свойства чугуна.

Ковкий чугун получают путем отжига отливок из белого чугуна. При высоких температурах (1000 ^˚С) происходит переход неустойчивого цементита белого чугуна в графит. Такой графитизирующий отжиг идет путем растворения метастабильного цементита в аустените и одновременно выделении из аустенита более стабильного графита. Степень графитизации зависит от температуры отжига белого чугуна, времени выдержки, скорости охлаждения, состава исходного чугуна и других параметров. Чем больше время выдержки при отжиге и меньше скорость охлаждения, тем полнее идет графитизация. В зависимости от полноты графитизации, как и в серых чугунах, в ковких чугунах различают три основных типа их структур: ковкие чугуны на ферритной, феррито-перлитной и перлитной основах. От серых чугунов ковкие отличаются по микроструктуре - формой графита, и по механическим свойствам - более высокой пластичностью (рисунок 4.19).

а б

Рисунок 4.19. Микроструктура ферритного ковкого (а) и феррито-перлитного высокопрочного (б) чугунов

Графит в ковких чугунах находится в форме компактных хлопьевидных включений - его называют углеродом отжига. Такой чугун имеет сравнительно однородную по сечению отливки ферритную структуру металлической основы. Реже он может иметь структуру феррито-перлитную или перлитную. Компактная форма графита придает чугуну повышенные механические свойства по сравнению с серым чугуном. Ковкий ферритный чугун мягче и пластичнее перлитного.

ЧАСТЬ 2.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Глава 5