Ледебурит структурная составляющая железоуглеродистых сплавов

Заэвтектический чугун

В заэвтектических чугунах происходят превращения, рассмотренные выше, так как первичный цементит не имеет превращений.  

В заэвтектических чугунах пластины первичного цементита играют роль подкладки, на которой начинается эвтектическая кристаллизация.  

При затвердевании заэвтектических чугунов эвтектическому превращению предшествует выделение первичного цементита.  

Кривая охлаждения заэвтектического чугуна, со-держашего 5 % С ( Ks), показана на фиг.  

Превращения в заэвтектическом чугуне, содержащем более 4 3 % С, начинаются при температурах линии ликвидус с выделения кристаллов цементита. Концентрация углерода в жидкости снижается с понижением температуры по линии CD. Затвердевает сплав с образованием ледебурита. Заэвтекти-ческие чугуны не имеют свободных выделений углерода в виде графита, так как весь углерод связан в перлите и цементите, и отличаются высокой твердостью.  

Для проверки этого предположения заэвтектический чугун, содержащий 3 7 % С, 2 5 % S, 0 003 % 5ИСХ, выплавляли в магнезитовом тигле в индукционной печи МВП-ЗМ; после перегрева до 1500 С его модифицировали металлическим церием при 1460 С. Охлажденный до 1180 С расплав выливали в воду. Микроанализ дробинок 0 4 — 6 мм выявил шаровидные включения избыточного графита, окруженные тонким ледебуритом, в который превращалась при закалке жидкая фаза.  

Образование первичного графита в заэвтектическом чугуне или графита во время эвтектического превращения, а также образование графита за счет распада первичного или эвтектического цементита называется первой стадией графитизации.  

Линия эвтектических составов СС разграничивает области доэвтектических и заэвтектических чугунов.  

Аналогичные превращения аустенита эвтектики происходят в заэвтектических чугунах; структура таких чугунов ниже 723е С состоит из первичного цементита и ледебурита.  

Аналогичные превращения аустенита эвтектики происходят в заэвтектических чугунах; структура таких чугунов ниже 723 С состоит из первичного цементита и ледебурита.  

В зоне VII диаграммы ( рис. 7) структура заэвтектических чугунов состоит из ледебурита и первичного цементита. При температуре, соответствующей линии PSK, аустенит распадается, образуя перлит. Как указывалось выше, под влиянием некоторых факторов ( малая скорость затвердевания, содержание дополнительных компонентов, главным образом кремния) вместо цементита может образовываться графит. Чугуны без графита ( с ледебуритом) называются белыми, с ледебуритом и графитом — половинчатыми и без ледебурита ( с графитом) — серыми.  

В зоне VII диаграммы ( см. рис. 6 6) структура заэвтектических чугунов состоит из ледебурита и первичного цементита. При температуре, соответствующей линии PSK, аустенит распадается, образуя перлит. Как указывалось выше, под влиянием некоторых факторов ( малая скорость затвердевания, содержание дополнительных компонентов, главным образом кремния) вместо цементита может образовываться графит. Чугуны без графита ( с ледебуритом) называются белыми, с ледебуритом и графитом — половинчатыми и без ледебурита ( с графитом) — серыми.  

Компоненты в системе «железо-углерод»

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит:

Железо

Железо – d-переходный металл серебристо-светлого цвета. Температура плавления – 1539° С. Удельный вес равен 7,86 г/см3. Наиболее существенной особенностью железа является его полиморфизм. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях — α и γ. Полиморфные превращения происходят при температурах 911° С и 1392° С. При температуре ниже 911° С и выше 1392° С существует Feα (или α-Fе) с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392° С устойчивым является Feγ (или γ-Fе) с гранецентрированной кубической решеткой. При превращении α→γ наблюдается уменьшение объема, так как решетка γ-Fе имеет более плотную упаковку атомов, чем решетка α-Fе. При охлаждении во время превращения γ→α наблюдается увеличение объема. В интервале температур 1392…1539° С высокотемпературное Feα называют Feδ. Высокотемпературная модификация Feα не представляет собой новой аллотропической формы.

При температуре ниже 768° С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точку 768° С, соответствующую магнитному превращению, т.е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри. Модификация Feγ парамагнитна.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (временное сопротивление – σв=250 МПа, предел текучести – σт=120 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ=50 %, а относительное сужение – ψ=80 %). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна. Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Углерод

Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500° С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000° С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

Цементит

Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Более точные исследования показали, что цементит может иметь переменную концентрацию углерода. Однако в дальнейшем, при разборе диаграммы состояния, сделаем допущение, что Fе3С имеет постоянный состав. Кристаллическая решетка цементита ромбическая, удельный вес 7,82 г/см3 (очень близок к удельному весу железа). При высоких температурах цементит диссоциирует, поэтому температура его плавления неясна и проставляется ориентировочно – 1260° С. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 210° С. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: например, азотом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Если графит является стабильной фазой, то цементит – это метастабильная фаза. Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита

Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов

Структура и свойства

Цементит
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 феррита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Норма железа в крови

Норма железа в крови зависит от пола и возраста человека. Из-за конституционной особенности организма, скорости обмена веществ, меньшей мышечной массы, у женщин потребность в железе ниже, чем у мужчин.

Показатель колеблется:

• у девушек от шестнадцати до восемнадцати лет норма микроэлемента составляет 5,8-18 мкмоль/л;
• в репродуктивный период увеличивается до 11,5-30,4;
• в период после 45 до 65 лет 12-31;
• после 65 лет показатели незначительно понижаются.

Показатели железа у беременных, в зависимости от срока, должны колебаться приделах 8,9-30,3 мкмоль/л.

У мужчин:

• в подростковый период норма составляет 5-25 мкмоль/л;
• с 19 до 45 лет увеличивается до 11,5-30,5;
• 45-65 лет 12-32 мкмоль/л.

У мужчин старше шестидесяти пяти лет норма уменьшается до 12-29,7 мкмоль/л.

У новорожденных первого месяца жизни норма железа 5-20 мкмоль/л, у малышей до года 5-21, до пяти лет 5-18, до 11 ‒ 5,5-11,5.

Даже зная норму железа в крови, самостоятельно разобраться в анализах невозможно, поскольку еще учитываются лабораторные данные в системе.

Структура мартенсита

Компоненты, фазы, линии и точки диаграммы fe-fe3c

Основным отличием, которое приводит к изменению физических и механических характеристик стали является изменение внутренней структуры. Её называют мартенситная структура. В этом случае кристаллическая решётка претерпевает следующие изменения. Под воздействием внешних факторов происходит изменение направления движения атомов по сравнению с их стандартным, упорядоченным движением в рамках установленной решётки. Увеличиваются межатомные расстояния, что приводит к возникновению деформации, примерно на 10% относительно нормальных размеров. Величина изменений не приводит к переходу через энергетический барьер межатомных связей. Такой кристаллический эффект приводит к образованию специфической формы взаимных связей. Она носит так называемый игольчатый характер.

Изменения структуры стали происходит в процессе нагрева. Повышение температуры вызывает диффузионное перераспределение атомов углерода в рамках кристаллической решётки. Этот процесс вызывает образование нескольких фаз металла.

1. При повышении содержания углерода до 6,7% возникает материал называемый цементит. Он имеет решётку в форме ромба.
2. При низком содержании углерода (не более 0,02%) формируется феррит. Его решётка приобретает объёмно-центрированную форму.
3. Аустенит. Структура железоуглеродистых сплавов, представляющих смесь углерода в количестве около 2% различных легирующих добавок. Кристаллическая решётка этого материала имеет форму куба со строго центрированными гранями. Отличительной особенностью аустенита является его высокая плотность по сравнению с другими структурами стали. Он образуется при температуре нагрева от 910 до 1401 °С и сохраняет свою устойчивость до температуры 723 °С. При дальнейшем охлаждении превращается в другие более устойчивые структуры. При добавлении никеля, марганца или хрома аустенит сохраняет свою структуру вплоть до комнатной температуры. К сталям, имеющим аустенитную структуру, относятся почти все хромоникелевые стали.
4. Перлит является механической смесью цементита и феррита. В этой смеси присутствие углерода составляет 0,8%. Он образуется из аустенита в процессе охлаждения. Он является эвтектоидом и может обладать пластичной или зернистой структурой. От этого состояния зависят его физические и особенно механические свойства.
5. При повышении содержания углерода до 4,3% из смеси аустенита и цементита образуется материал, называемый ледебурит. Его формирование происходит при температуре расплава в 1147 °С.
6. Мартенсит – это перенасыщенный раствор железа и углерода. Его обычно получают при закалке аустенита. В результате температурного воздействия мартенситный материал приобретает из кубической тетрагональную решётку, которая придаёт ему твердость до 1000 HV.

В результате обработки полученная мартенситная сталь приобретает игольчатую структуру, которая формирует более высокие прочностные характеристики, становится устойчивее к воздействию коррозии

Сплавы железа с углеродом

Железоуглеродистые сплавы могут содержать следующие структурные компоненты:

Феррит (F) представляет собой твердый раствор, содержащий углерод и другие элементы в iron. It имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Растворимость углерода в феррите очень мала, до 0,005% при комнатной температуре. При 727°C, самая высокая растворимость 0,02% феррита очень пластична, мягка и обрабатывается путем приложения давления в холодных условиях.

Аустенит (а) представляет собой твердый раствор углерода и других элементов G-iron. It присутствует только при высоких температурах. максимальная растворимость углерода в г-железе составляет 1147% при температуре 2,14°С и 727 ° с при 0,8%.Эта температура является нижним пределом присутствия аустенита в железоуглеродистом сплаве. Аустенит очень пластичен, но тверже феррита.

Структура и свойства

Сварка аустенитных сталей

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 феррита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Состав

Перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита, образующуюся при эвтектоидном разложении медленно охлажденного аустенита. Концентрация углерода в перлите составляет 0,80%.

Твердость перлита HB 180÷220.Сталь, содержащая 0,80% C, имеет чистую перлитную структуру.

Редебрит представляет собой механическую смесь аустенита и цементита, образующуюся при кристаллизации жидких сплавов, содержащих 4,3% C. Это превращение также охватывает аустенит, который входит в состав редебрита, поскольку аустенит подвергается перлиту при температуре 723°C. следовательно, при температуре 723°или ниже красный Бритт является не смесью аустенита и цементита, а смесью перлита и цементита.

Основные компоненты перлита: диоксид кремния SiO2 (65-75%), оксид алюминия AI2O3 (10-16%), оксид калия K2O (до 5%), оксид натрия Na2O (до 4%), оксид железа Fe2O3 (до 3 фракций)%, оксид магния (до 1% от фракционирования), оксид кальция CaO (до 2%), вода (H2O) (2 ~ 6).Могут присутствовать и другие примеси.

Перлит характеризуется небольшой концентрической оболочечной структурой (перлитная структура), в результате чего образуется круглое ядро (Жемчужина), напоминающее жемчужину с характерным блеском.

Пористость 8-40%.Перлит может иметь самые разные оттенки: черный, зеленый, красно-коричневый, коричневый, белый. Типы перлита: Обсидиан (содержит примеси обсидиана), сферолиты (содержит примеси полевого шпата), смолистый камень (однородный состав), стекловидный и так далее. Перлит, в виде массивной, полосатой, угловатой ректификационной породы, пемзы, отличается особенностями фактуры.

Вспученный перлит-это рыхлый, пористый, рыхлый, легкий и прочный материал.

Огнестойкость: рабочая температура-минус 200-900°С. Смогите поглотить до 400% из жидкости своего собственного веса: термоизоляция и ядровая изоляция, максимум absorbency. It это биологически resistant. It не подвержен разложению и гниению под воздействием микроорганизмов и не является благоприятной средой обитания для насекомых и грызунов.

Химически инертен: нейтрален к щелочным и слабым кислотам. Перлит является экологически чистым, нетоксичным и стерильным материалом и не содержит тяжелых металлов.

Перлит можно использовать естественным способом (в строительстве), но чаще используется вспученный перлит. Применение вспученного перлита в строительстве позволяет повысить теплоизоляцию и звукоизоляцию строящихся конструкций и характеристики противопожарной защиты, при этом значительно снижаются масса и объем конструкций.

Степень — эвтектичность — чугун

Степень эвтектичности чугуна определяется долей эвтектики в его структуре. В случае чистых железоуглеродистых сплавов она вычисляется по правилу рычага на коноде ЕС ( или Е С) эвтектического превращения ( фиг.  

Степень эвтектичности чугуна определяется долей эвтектики в его структуре.  

Прямые линии Са на диаграмме показывают степень эвтектичности чугуна с учетом углеродного эквивалента. Если эта величина равна 4 25, то чугун эвтектический; если она меньше 4 25, то чугун доэвтектпческий.  

На диаграммах отражено влияние кремния на степень эвтектичности чугуна: по мере увеличения его содержания снижается ликвидус ТБ и сужается двухфазная область Ж — — А.  

Выше также было показано, что содержание и структура графитной фазы в чугуне связаны со степенью эвтектичности чугуна, что подтверждается анализом диаграмм Гиршовича — Иоффе. Поэтому в основу конодной диаграммы было также положено семейство линий — изоэвтектик, представляющих собой геометрическое место фигуративных точек чугуна с одинаковой степенью эвтектичности и делящих коноды на пропорциональные отрезки.  

В диаграмме Колло и номограмме Кола отражена зависимость предела прочности при растяжении, твердости и модуля упругости от степени эвтектичности чугуна.  

Из общего количества газов в чугуне содержание водорода составляет 50 — 65 %, оно снижается с увеличением степени эвтектичности чугуна. Количество водорода, выделившегося при хранении, составляет около 80 % от общего его содержания.  

Сопоставление кинетических диаграмм кристаллизации хромистых чугунов близ эвтектического состава ( рис. 64) показывает, что увеличение содержания хрома не оказывает заметного влияния яа относительное положение линии появления аустенита БЗ, следовательно, хром незначительно влияет на степень эвтектичности чугуна. Температурный интервал выделения графита уменьшается и при концентрациях 1 92 % Сг — графит из расплава не выделяется. Сдвиг линии ОФ вправо свидетельствует о том, что с ростом содержания хрома выделение графита затрудняется. Уместно сопоставить с этим влияние марганца ( см. рис. 58), увеличение содержания которого в чугуне не приводит к расширению инкубационного периода появления графита в жидкости.  

При затвердевании доэвтектических чугунов вначале кристаллизуется избыточный аустенит. Как и в сером до-эвтектическом чугуне, он растет в виде трехмерных денд-ритов. Их количество, величина и разветвленность определяются степенью эвтектичности чугуна и условиями охлаждения. Затем происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита в ходе эвтектического распада жидкого раствора.  

Образование шаровидного графита в высококремнистых чугунах происходит лишь в условиях, обеспечивающих значительное переохлаждение расплава. В практике производства отливок большое значение имеет образование сильно разветвленного, в том числе междендритного графита при ускоренном затвердевании чугуна с повышенным содержанием кремния. В случае медленной кристаллизации чугуна, напротив, повышение содержания кремния приводит к образованию более грубого графита. Это является следствием повышения степени эвтектичности чугуна при добавке к нему кремния и обнаруживается прежде всего в малоуглеродистых чугунах.  

Применение перлита

Белый цвет перлита затрудняет диагностику почвенных вредителей (корнеядных насекомых, мучнистых червецов, личинок грибов). РН перлита нейтральный. Когда растение выращивают в чистом перлите и орошают жесткой водой, рН субстрата может смещаться в щелочную сторону, что тормозит рост растения и препятствует использованию питательных веществ.

Поскольку он имеет положительный заряд, он не может удерживать положительный ион удобрения и не участвует в процессе ионного обмена.

Вермикулит, кирпичная крошка, мелкий керамзит, полистирольная крошка, песок (последние 2 компонента придают субстрату пористость и рыхлость, но не удерживают воду).

Присутствие в железоуглеродистых сплавах

Чугуны

Ледебуритная смесь возникает, для чистых железоуглеродистых сплавов в интервале концентраций углерода от 2 ,14% 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 (разделяется на феррит и цементит). 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.

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.

Метастабильная диаграмма железо-цементит

Метастабильную диаграмму называют также «цементитной». Отличие от стабильной («графитной») диаграммы возникают при выделении углерода – в виде графита или цементита.

Как показано на двойной диаграмме, решетки аллотропных форм железа (δ, γ и α или дельта, гамма и альфа) служат «растворителем» для образования соответственно твердых δ-, γ- и α-растворов углерода в железе.

Когда железо с очень малым содержанием углерода кристаллизуется, то кристаллы твердого дельта-раствора выделяются по линии ликвидус АВ и линии солидус АН. Твердый дельта-раствор имеет объемноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку – точно такую же как и твердый альфа-раствор. При максимальной температуре твердого дельта-раствора 1490 ˚С содержание углерода составляет 0,1 % (точка Н). При температуре 1490 ˚С происходит перитектическая реакция между пересыщенным твердым δ-раствором и жидкой фазой, содержащей 0,5 % углерода (точка В). В результате образуется твердый γ-раствор углерода в железе. Он содержит 0,18 % углерода (точка I).

Если содержание углерода выше, чем 0,5 %, то твердый γ-раствор кристаллизуется прямо из жидкой фазы (по линии ликвидуса ВС и линии солидуса IE). При температуре 1130 ˚С ограниченная растворимость углерода в γ-железе составляет около 2,0 % (точка Е). Снижение температуры ниже 1130 ˚С приводит к снижению растворимости углерода в γ-железе по линии ЕS. При температуре 723 ˚С растворимость углерода составляет 0,8 % (точка S). Линия ES соответствует выделению карбида железа (цементита) из γ-железа.

При повышении содержания углерода температура, при которой гамма-решетка превращается в альфа-решетку снижается и это превращение происходит в интервале температуры, соответствующем линиям GS и GP.

Линия выделения альфа-фазы GS пересекается с линией выделения карбида железа ES в точке S. Точка S является эвтектической точкой со следующими координатами: 723 ˚С по температуре и 0,80 % по содержанию углерода. В этой точке из гамма-раствора эвтектоидного состава одновременно выделяются твердый альфа-раствор (феррит) и карбид железа (цементит).

Решетка твердого альфа-раствора является идентичной решетке твердого дельта-раствора. При эвтектоидной температуре 723 ˚С твердый альфа-раствор содержит 0,02 % углерода (точка Р). Дальнейшее охлаждение приводит к понижению растворимости углерода в альфа-железе и при комнатной температуре она составляет только малые доли процента (точка D).

Когда содержание углерода составляет от 2,0 до 4,3 %, кристаллизация начинается с выделения гамма-раствора по линии ВС. Увеличение содержания углерода выше 4,3% приводит к выделению карбида железа по линии CD.

Выделение дополнительной первичной фазы в сплавах с содержанием углерода выше 2,0 % сопровождается эвтектической кристаллизацией гамма-раствора и карбида углерода в точке С, координаты которой – 1130 °С и 4,3 % углерода.

Линия МО связана с магнитным превращением, то есть переходом от ферромагнитного к парамагнитному состоянию железа.

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 феррита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Фазовая диаграмма Железо — Углерод.

Чистое железо

Цементит представляет собой соединение железа и углерода (fe3c) карбонизированного. Цементит содержит 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он имеет сложную кристаллическую решетку. Железо-самый твердый и хрупкий компонент углеродного сплава. Цементит неустойчив, при определенных условиях реакция Fe3C> 3Fe +С вызывает образование и разложение свободного углерода в виде графита.

Чем больше цементита в железоуглеродистом сплаве, тем выше твердость.

Графит является аллотропным вариантом углерода. Графит мягкий, и его прочность очень низкая. Чугун и графитизированная сталь входят в состав в виде включений различной формы.

Перлит (Р) представляет собой механическую смесь феррита и цементита, содержащую 0,8% углерода. Он образуется при перекристаллизации (коллапсе) аустенита при температуре 727°С. этот распад называется эвтектоидным, а перлит-эвтектоидным. Перлит обладает высокой прочностью, твердостью, что повышает механические свойства сплава.

Редебрит представляет собой механическую смесь аустенита и цементита, содержащую 4,3% углерода. Образуется в результате эвтектического превращения при температуре 1147 ° С. При температуре 727°с аустенит превращается в перлит, а после охлаждения красный брикет превращается в смесь перлита и цементита. Редебрит обладает высокой твердостью и превосходной хрупкостью. Все белое входит в состав чугуна.

Доэвтектический чугун

Графитовые образования ( 10 — 100 А), возникающие над линией ликвидуса в доэвтектических чугунах, обладают развитой поверхностью, а свойства такой системы ( жидкость дисперсные образования) зависят от свойств и размеров входящих в нее поверхностей раздела. Пинакоиды графита являются устойчивыми образованиями. Выдержка при 1700 С не устраняет полностью микронеоднородность расплава. Таким образом, микрогетерогенность расплавов чугуна имеет наследственное происхождение, связанное с неполным растворением углерода в процессе плавки. На основании экспериментальных данных можно предположить, что дисперсные выделения графита начинаются выше температуры ликвидуса.  

Титан понижает температуру эвтектического превращения и способствует переохлаждению чугуна, при содержании до 0 5 % в доэвтектическом чугуне способствует графитизации и выделению графита в виде мелких пластин. Титан является хорошим раскислителем, способствует равномерному распределению в чугуне графита. Титан нейтрализует действие хрома в чугуне, являясь модификатором, вследствие чего отпадает необходимость в повышении содержания кремния. Титан способствует повышению механических свойств, особенно прочности высокоуглеродистых чугунов. При содержании 0 18 — 0 20 % титан с углеродом образуют карбиды и препятствуют графитизации. Титан используют как модификатор при производстве ковкого чугуна, но для отливок из высокопрочного чугуна Ti нежелательная примесь, так как препятствует образованию шаровидного графита.  

В зависимости от концентрации углерода в сплаве чугуны разделяются на доэвтектические, эвтектиче: кие и заэвтектические: доэвтектические чугуны содержат 2 14 — 4 3 % С и имеют структуру перлит — Ь цементит; эвтектические чугуны содержат 4 3 % С и состоят из ледебурита; заэвтектический чугун содержит более 4 3 % С, имеет структуру ледебурит цементит.  

Рассмотрим в соответствии с диаграммой состояния железо — углерод фазовые превращения, происходящие при охлаждении из жидкого состояния в доэвтектическом чугуне, содержащем 3 % С.  

Такой же распавшийся аустенит наблюдается также и на избыточных ( темных) участках, содержащихся в большем или меньшем количестве в доэвтектических чугунах ( фиг.  

Жидкотекучесть чугуна характеризует заполнение литейной формы и зависит главным образом от химического состава и температуры заливки С, Si, Р и Си повышают жидкотекучесть доэвтектического чугуна, a S и Сг понижают ее; влияние Мп и Ni на жидкотекучесть незначительно.  

Точка С ( 4 3 % углерода) представляет собой эвтектическую точку и разделяет сплавы, содержащие от 2 до 6 67 % углерода ( чугуны), на две группы: сплавы, содержащие менее 4 3 % С, — доэвтектические чугуны, а сплавы, содержащие более 4 3 % С, — заэвтектические чугуны. Следует подчеркнуть, что в машиностроении практическое значение имеют доэвтектические и эвтектические чугуны, а заэвтектические чугуны не применяются.  

Эвтектический состав чугунов с 30 — 35 % Сг приходится на — 2 5 % С. Доэвтектический чугун имеет структуру твердого раствора хромистого феррита и эвтектических карбидов, количество которых зависит от содержания углерода.  

Твердая фаза в области, лежащей между линиями EGF и PSK с содержанием углерода более 2 14 %, соответствующая белым чугунам, имеет различный состав. Доэвтектические чугуны ( 2 14 — 4 3 % углерода) состоят из аустенита и ледебурита, эв тектические ( 4 3 %) из ледебурита и заэвтектические ( 4 3 — 6 67 %) из цементита и ледебурита. При этом, в отличие от сталей, температура плавления чугунов ( линия EGF) постоянна и не зависит от содержания в них углерода.  

Чугуны по структурным свойствам подразделяют на доэвтек-тические и заэвтектические относительно эвтектического состава 4 3 % С. Доэвтектические чугуны имеют перлитно-ледебуритную структуру, а заэвтектические — цементитно-ледебуритную.  

Во всех чугунах имеется аустенит. В доэвтектических чугунах имеется свободный аустенит ( см. сплав / — /, фиг.  

Наконец, в доэвтектических чугунах первичные выделения аустенита меняют свою концентрацию при охлаждении от точки 3 до точки 4 ( сплав / CJ от 2 до 0 8 % С, и в точке 4 происходит перлитное превращение. Структура такого доэвтектического чугуна состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита. Структура доэвтектического чугуна показана на фиг.  

Наконец, в доэвтектических чугунах первичные выделения аусте-нита меняют свою концентрацию при охлаждении от точки 3 до точки 4 ( сплав KJ) от 2 14 до 0 8 % С, и в точке 4 происходит перлитное превращение. Структура такого доэвтектического чугуна состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита.  

Фазы в системе «железо-углерод»

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

Жидкая фаза

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит

Феррит (Ф, α)- твердый раствор внедрения углерода в α-железе (от латинского слова ferrum – железо). Различают низкотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0,02 % при температуре 727° С (точка P) и высокотемпературный δ-феррит (в интервале температур 1392…1539° С) с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499° С (точка J).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 80 — 130 НВ, временное сопротивление – σв=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение — δ=50 %), магнитен до 768° С.

Под микроскопом феррит выглядит как светлые полиэдрические зерна. В сталях может существовать в виде сетки (разной толщины, в зависимости от содержания углерода), зерен (малоуглеродистые стали), пластин или игл (видманштетт).

Аустенит в сталях

Аустенит (А, γ) – твердый раствор внедрения углерода в γ–железо (по имени английского ученого Р. Аустена). Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в γ -железе 2,14 % при температуре 1147° С (точка Е). Аустенит имеет твердость 180 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ=40…50 %), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования. Под микроскопом выглядит как светлые полиэдрические зерна с двойниками.

Цементит – формы существования

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Поскольку углерод в сплавах с железом встречается в виде цементита и графита, существуют две диаграммы состояния, описывающие условия равновесия фаз в системах железо — цементит и железо — графит. Первая диаграмма (Fе — Fе3С) называется цементитной (метастабильная), вторая (Fе — С) — графитной (стабильная). Оба варианта диаграммы приводятся вместе в одной системе координат: температура — содержание углерода. Диаграмма состояния системы железо — углерод построена по результатам многочисленных исследований, проведенных учеными ряда стран. Особое место среди них занимают работы Д.К. Чернова

Он открыл существование критических точек в стали, определил их зависимость от содержания углерода, заложил основы для построения диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в ее нижней, наиболее важной части

Буквенное обозначение узловых точек в диаграмме является общепринятым как в России, так и за рубежом.

Диаграмма состояния железо-углерод

Имеющиеся во всех областях диаграммы фазы видны на рисунке. Значение всех линий указано в таблице.

Ликвидус по всей диаграмме проходит по линиям АВ, ВС, СD; солидус — по линиям АН, НJ, JЕ, ЕСF. Сплавы железа с углеродом обычно делят на стали и чугуны. Условной границей для такого деления является 2,14 % С (точка E). Сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, относятся к сталям, более 2,14 % — к чугунам.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения. Обозначаются буквой А. В зависимости от того, при нагреве или при охлаждении определяется критическая точка, к букве А добавляется индекс с (от слова chauffage – нагрев) при нагреве и индекс r (от слова refroidissement – охлаждение) при охлаждении с оставлением цифры, характеризующей данное превращение.

Таким образом, например, нагрев доэвтектоидной стали выше соответствующей точки на линии GS обозначается как нагрев выше точки АС3. При охлаждении же этой стали первое превращение должно быть обозначено как Аr3, второе (на линии РSК) — как Аr1.

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 феррита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Первичный, вторичный и третичный цементит

По способу и области образования он подразделяется на три основных вида:

• первичный;
• вторичный;
• третичный.

Образование первичного цементита наблюдается в процессе кристаллизации заэвтектического чугуна. В этот момент образуются кристаллы вытянутой формы. Они образовывают первичный карбид. Первичное образование может проявляться в доэвтектическом чугуне в составе ледебурита в процессе кристаллизации расплава. Проведенные исследования показали, что такая смесь железа и углерода присутствует не только в белом чугуне. Она может проявиться в сером чугуне после завершения операции так называемой графитизации.

Процесс образования вторичного вида наблюдается в основном при охлаждении аустенита. Это явление наблюдается при снижении температуры ниже 1147 °С. При такой температуре происходит снижение концентрации углерода в аустените. Освободившиеся атомы углерода вступают в новые связи, и образуется цементит, который называется вторичным. При дальнейшем снижении температуры до эвтектоидной продолжается его формирование. Даже при комнатной температуре он встречается в составе перлита. В этих условиях его можно обнаружить в заэвтектоидной стали. Он образовывается на границах зернистой структуры.

Процесс охлаждения феррита формирует так называемый третичный цементит. Данный вид достаточно сложно зафиксировать, и проводит дальнейшее наблюдение за его образованием. Эта проблема связана с появлением третичного цементита в небольших количествах. Исследования образования данной фракции показали, что он приобретает несколько форм: пластинки, прожилки или в форме иголок. Все эти элементы формируются в зёрнах феррита. Третичное образование достаточно сложно получить, потому что при повышении процентного содержания углерода третичный цементит соединяется с перлитом. При повышении скорости охлаждения содержание углерода сохраняется в растворе металла и образование третичной фракции прекращается. Явным признаком образования является результат постепенного старения феррита. В этом случае в содержании феррита изменяется концентрация углерода.

Из приведенного выше описания можно сделать следующие выводы:

• первичная фракция образовывается в результате кристаллизации расплава;
• вторичный – в результате последовательного охлаждения аустенита;
• третичный – после охлаждения феррита.

В различных марках стали и чугуна цементит первичный обладает высокой вариативностью формы. Это могут быть пластины правильной формы полоски или образования в форме иголок. При проведении операции отжига он может принимать форму округлых образований. Как результат трансформируется в зернистый перлит.

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 феррита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Свободный цементит

Свободный цементит ( Fe3C), который образуется при недостаточном количестве кремния, слишком большом содержаний марганца и серы.

Структурно свободный цементит нежелателен.

Структурно свободный цементит, X 500: а – до деформации, 6 – после деформации.

Разложение структурно свободного цементита достигается при нагреве и выдержке отливки выше критического интервала; температура нагрева и длительность выдержки зависят от состава белого чугуна по содержанию углерода ( фиг.

Количество структурно свободного цементита. Включения структурно свободного цементита, расположенные по границам зерен феррита ( фиг. Скоагулированные и расположенные внутри зерен феррита включения структурно свободного цементита менее опасны. Шкала построена по возрастанию размеров включений цементита и по развитию распределения его в виде сетки или цепочки.

Разложение структурно свободного цементита достигается при нагреве и выдержке отливки выше критического интервала; температура нагрева и длительность выдержки зависят от состава белого чугуна по содержанию углерода ( фиг.

Частицы структурно свободного цементита должны быть мелкими, по возможности равномерно рассеянными ( фиг. Мелкие частички цементита получаются при пониженных температурах смотки горячекатаной полосы в рулон, а крупные – при высоких, когда они успевают не – только выделиться из твердого раствора в феррите, но и достигнуть крупных размеров вследствие коагуляции и роста.

Количество структурно свободного цементита в стали определяется баллами по эталонным образцам микроструктур.

Кроме структурно свободного цементита, на границах ферритных зерен имеется еще третичный цементит. Помешать его выделению при конечной термической обработке нельзя, так как для этого листы для глубокой вытяжки нужно охлаждать медленно.

Не допускается структурно свободный цементит. Эвтектический графит и феррит допускаются в виде отдельных мелких включений в количестве не более 5 % площади шлифа для каждого включения. Излом отливки должен иметь однородное мелкозернистое строение с матовым оттенком.

SE) имеющийся в ней свободный цементит до конца растворится в аустените и структура станет однородной.

В доэвтектоидных сталях нет структурно свободного цементита.

В) Чугуны со структурно свободным цементитом относятся к белым чугунам. Феррит в них может появиться в результате отжига, но такой чугун не относится к ферритным.

В низкоуглеродистой стали не допускается структурно свободный цементит. Он образуется в результате замедленного охлаждения после прокатки или термической обработки и, располагаясь по границам зерен, резко снижает пластические свойства. Это вызывает большой брак при холодной высадке.