Структурные составляющие сталей и чугунов

Диаграмма состояния железо—углерод (Fe—С)

На диаграмме состояния железо—углерод (рис. 2) приведен фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 % С).

 

Рис. 2. Диаграмма железо-углерод

 

 

 5. Серый, высокопрочный и ковкий чугун. Структура и свойства.

Серый Чугун

В структуре серых чугунов графит пластинчатой формы. Серые чугуны содержат: 3,2-3,5% углерода, 1,9-2,5% кремния, 0,5-0,8% марганца, 0,1-0,3% фосфора и менее 0,12% серы. Отливки деталей из серых чугунов получают в кокилях – земляных или металлических формах. Серый чугун находит широкое применение в машиностроении. Для изготовления деталей менее ответственного назначения, деталей, работающих при отсутствии ударных нагрузок. В частности из них делают крышки, шкивы, станины станков и прессов. Пример обозначения серого чугуна: СЧ32-52. Буквы обозначают серый чугун, первое число обозначает предел прочности при растяжении,второе число – предел прочности при изгибе.

Ковкий чугун В структуре ковких чугунов графит хлопьевидной формы. Ковкие чугуны содержат: 2,4-3,0% углерода, 0,8-1,4% кремния, 0,3-1,0% марганца, менее 0,2% фосфора, не более 0,1% серы. Ковкий чугун получают из белого чугуна в результате нагрева и длительной выдержки. Эту процедуру называют графитизирующим отжигом или томлением. Пример обозначения ковкого чугуна: КЧ45-6. Буквы обозначают ковкий чугун (КЧ), первое число - предел прочности при растяжении (45 кгс/мм2 или 450 МПа), второе – относительное удлинение в % (6%).

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун содержит графит шаровидной формы. Он имеет наиболее высокие прочностные свойства. Высокопрочный чугун содержит: 3,2-3,8% углерода, 1,9-2,6% кремния, 0,6-0,8% марганца, до 0,12% фосфора и не более 0,3% серы. Высокопрочный чугун получают путем модифицирования жидкого расплава. Модификаторы способствуют образованию графитных включений шаровидной формы,, а литейные свойства выше (но ниже, чем у серых чугунов).Из высокопрочных чугунов изготавливают ответственные детали для машиностроения - поршни, цилиндры, коленчатые валы, тормозные колодки. Также из высокопрочного чугуна изготавливают трубы. Пример обозначения высокопрочного чугуна: ВЧ45-5. Буквы обозначают высокопрочный чугун (ВЧ), первое число обозначает предел прочности при растяжении, второе – относительное удлинение в %.

Перлитное и мартенситное превращения.

Перлитное превращение

 

Перлитное превращение заключается в распаде аустенита на две фазы — феррит и цементит. Оно происходит в такой последовательности. Сначала в дефектных местах, преимущественно на границах зерен аустенита, зарождаются пластинки цементита как ведущей фазы (рис.1). Рост пластинок сопровождается диффузионным перераспределением углерода перед фронтом роста. Вследствие этого аустенит вокруг пластинки цементита обедняется углеродом. Впоследствии эти участки аустенита с низкой концентрацией углерода полиморфно превращаются: А→Ф. Феррит, который образовался на границе с цементитом, имеет вид пластинки. В то же время на границе с ферритной пластинкой аустенит обогащается углеродом, который облегчает зарождение и рост соседней цементитной пластинки. В результате возникает пластинчатая структура из двух фаз, которые чередуются.

Рисунок 1 — Схема возникновения и роста перлитного зерна: I — аустенит A, II — образование зародыша цементита Ц на границе зерна аустенита; III — образование пластин цементита и феррита Ф; IV…VI — рост и образование новых пластин цементита и феррита (перлита); 1 — высокая концентрация углерода — цементит (6,67 % С); 2 — низкая концентрация углерода — феррит (<0,02 % С); Δа — межпластинчатое расстояние

Процесс длится до тех пор, пока весь аустенит не превратится в перлит. Пластинки феррита и цементита в структуре перлита видимые при средних увеличениях микроскопа. При большем переохлаждении растет дисперсность фаз феррита и цементита. Такой, более дисперсный, перлит называется сорбит. Двухфазное строение сорбита можно выявить лишь при больших увеличениях оптического микроскопа. Когда переохлаждение еще больше, образуется структура перлитного типа, которая называется тростит. Различить фазы феррита и цементита под оптическим микроскопом в троститной структуре почти невозможно. Для этого нужен электронный микроскоп. Следовательно, перлит, сорбит и тростит — двухфазные пластинчатые (иногда зернистые) структуры с разной степенью дисперсности. Пластинчатые структуры образуются из однородного (гомогенного) аустенита, а зернистые — из неоднородного (гетерогенного) по углероду аустенита. Дисперсность перлита, сорбита и тростита определяется средней суммарной толщиной пластинок феррита и цементита — межпластинчатым расстоянием Δа, которое является важной структурной характеристикой, и которая определяет механические свойства стали. С увеличением дисперсности фаз повышается твердость НВ стали (табл.1).
Таблица 1 - Твердость структур эвтектоидной стали

Мартенситное превращение

По-видимому, трудно назвать другую проблему в металловедении, которая вызывала бы такой непреходящий интерес и была предметом столь оживлённых научных дискуссий, как вопрос о природе мартенситных превращений. Это объясняется не только тем, что многие мартенситные фазы являются основой высокопрочных материалов, но и особым положением, которое занимает теория мартенситных превращений в современном материаловедении. Исследование мартенситных превращений привело к развитию представлений о процессах перестройки кристаллической решётки и этим обусловило узловое место теории мартенситных превращений в науке о структуре и свойствах кристаллических тел. [1]

Согласно [2]:
Если аустенит переохладить до таких температур, когда γ-решётка несмотря на наличие растворённого в ней углерода, неустойчива, но скорость диффузии в ней углерода вследствие низких температур так мала, что с ней можно не считаться, то происходит перестройка решётки без выделения углерода:

Fe_γ(C)→Fe_α(C).

При аустенитно-мартенситном превращении происходит только перестройка решётки без изменения концентрации реагирующих фаз. Превращение является бездиффузионным. Мартенсит в стали есть пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе с такой же концентрацией, как и у исходного аустенита. Так как растворимость углерода в α-фазе равна лишь 0,01%, то мартенсит является пересыщенным твёрдым раствором.

См. Мартенсит.

Две характерные особенности отличают мартенситное превращение от других фазовых превращений:

1. бездиффузионность [состав фаз - исходной (аустенита) и конечной (мартенсита), одинаков; при превращении происходит лишь перестройка решётки];

2. ориентированность (новая фаза - мартенсит - закономерно ориентирована относительно старой - аустенита); сдвиговый характер превращения приводит к образованию на поверхности рельефа. Превращение, удовлетворяющее обоим этим условиям, относится к классу превращений, именуемому мартенситным.

Мартенситное превращение обнаружено у многих металлов и сплавов, рассмотрим лишь мартенситное превращение в стали.

Мартенситное превращение в стали, обладая двумя указанными характерными особенностями, в свою очередь имеет специфические черты, которых нет в мартенситном превращении других сплавов. Мартенситное превращение в сталях необратимо, т.е. протекая в направлении Fe_γ(C)→Fe_α(C), оно не происходит в обратном направлении по той же бездиффузионной кинетике. Кроме того, кристалл мартенсита в стали, независимо от температуры, образуется за чрезвычайно короткий отрезок времени, практически мгновенно...

Согласно мартенситной кривой при охлаждении превращение начинается в точке Мн - эта температура определяет температуру начала превращения аустенита в мартенсит в данной стали.

Углерод интенсивно снижает температуру начала и конца мартенситного превращения. При содержании углерода свыше 0,5% часть мартенситного превращения распространяется на область отрицательных температур, т.е. при непрерывном охлаждении мартенситное превращение в сталях с C>0,5% не заканчивается по достижении комнатной температуры.

Некоторые легирующие элементы снижают точку мартенситного превращения, поэтому в некоторых легированных сталях, содержащих достаточное количество углерода и легирующих элементов, точка Мн расположена ниже 0°C и закалкой можно получить чистую аустенитную структуру. Из этого следует, что темпераутра образования мартенсита зависит в основном от состава стали.

Температура превращения аустенита в мартенсит не зависит от скорости охлаждения. Однако если скорость охлаждения не влияет на положение мартенситной точки, то она влияет на протекание мартенситного превращения.

Различают атермический мартенсит, образовавшийся при охлаждении, и изотермический мартенсит, образующийся при постоянной температуре.