Бунин К.П., Баранов А.А. Металлография

Подождите немного. Документ загружается.

углерода

расположены лишь четыре атома железа. Остальные

два принадлежат соседней призме, где они находятся на меньших

расстояниях от следующего атома

углерода

и ковалентно связы-

ваются с ним. Таким образом, структурный элемент решетки це-

ментита можно описать как иска-

женный

тетраэдр, в вершинах

которого находятся атомы же-

леза, ковалентно связанные с

эксцентрично

расположенным

атомом

углерода.

Образование

такого рода алмазоподобной

структуры обнаружено во мно-

гих соединениях.

Модель призматическо-

го варианта структуры це-

ментита (2 слоя по 9 ячеек

каждом) показана на рис.

102, в в виде ортогональ-

ной

проекции на плоскость

(010). Из модели

следует,

что цементит должен обла-

дать слоистой структурой.

Ковалентные связи лока-

лизуются внутри каждого

слоя

призм, а

между

слоями

действует

металли-

ческая связь. Свойства це-

ментита подтверждают дан-

ную модель. Высокая твер-

дость (>70HRC) и

хруп-

кость цементита характер-

ны

для промежуточных фаз

большой долей ковалент- Рис. 102. Упаковки атомов в цементите с окта-

НОЙ

СВЯЗИ. Комплексный эдрическим (а) и призматическим (б) размеще-

УЯПЯКТРП

РПЯЧИ

и рппи

нием

углерода

и ортогональная проекция на

характер СВЯЗИ И СЛОИ-

плоскость (010)

пространственной решетки

СТОСТЬ

структуры Ооуслов- цементита с призматическим размещением ато-

ЛИВаюТ анизотропию СВОЙ- мов

углерода

(в)

ств цементита. Значения, (Цифры — расстояние

между

атомами, А)

например,

коэффициентов

термического расширения вдоль главных осей а

и а

на порядок

меньше,

чем а

. Таким образом, слоистые структуры графита и

цементита сходны. Обе фазы характеризуются ковалентнои связью

атомов внутри слоев и металлической проводимостью, обуслов-

ленной

коллективизацией электронов в межслойных промежутках.

В обеих фазах обнаруживается большая неоднородность свойств

направлениях вдоль и поперек слоев, что проявляется при тер-

мическом расширении и деформации.

201

(_KJ_

_ 1

"*x J

Высокая твердость

анизотропия присущи

легированному

цементиту

другим карбидным фазам,

что

также обусловлено

большой ролью ковалентной связи.

Помимо

рассмотренных выше основных

фаз

(жидкие

твердые

растворы, графит

карбиды), промышленные железные сплавы

содержат

другие

фазы, появление которых обусловлено наличием

примесей.

Часто встречаются сульфиды

(FeS,

MnS), фосфиды,

(Fe

P),

окислы железа

примесей

(FeO, MnO,

А1

Сг

TiO

нитриды (FeN,

A1N)

химические соединения железа

с ле-

гирующими элементами (вольфрамиды, молибдениды, силициды

железа

и др.).

ДИАГРАММЫ РАВНОВЕСИЯ

КЛАССИФИКАЦИЯ

СПЛАВОВ

Первый

набросок диаграммы состояния Fe—С сплавов сделал

Д.

К.

Чернов, обнаруживший

сто лет

(в 1868 г.) в

железных

сплавах критические точки.

дальнейшем большой вклад

в раз-

работку диаграммы Fe—С системы внесли

Аустен,

Роозебум,

Осмонд,

Хоу,

Витторф, Геренс

другие.

Диаграммы фазового равновесия Fe—С системы

в их

современ-

ном

виде показаны

на рис. 103.

Поскольку высокоуглеродистая

фаза

может существовать

виде графита

(при

стабильном

рав-

новесии)

цементита (при метастабильном равновесии) пользуются

двумя диаграммами состояния. Одна

из них

характеризует

ста-

бильные,

другая

—

метастабильные фазовые состояния желез-

ных сплавов.

Для

удобства

эти диграммы вычерчиваются

и в

одной

координатной

системе

(рис. 103, б).

Области существования Fe—С сплавов

однофазном

двух-

фазном

состояниях отмечены

на

диаграммах стабильного

мета-

стабильного равновесия. Помимо этих состояний,

Fe—С сплавах

ТАБЛИЦА

КООРДИНАТЫ

ОСНОВНЫХ

ТОЧЕК

ДИАГРАММ

Fe—С

точка

Е'

Р'

Стабильное

равновесие

температура,

1539

1494

1152

1400

1494

1152

910

738

С,

0,00

0,53

4,26

0,00

0,08

0,16

2,01

0,00

0,68

0,023

0,000

Метастабильное

равновесие

точка

температура,

1539

1494

1145

1400

1494

1145

910

723

С,

0,00

0,53

4,30

0,00

0,08

0,16

2,03

0,00

0,80

0,025

0,000

202

%£

(am,)

возможны

трехфазные:

+ Aj + Жв при

перитектическом

равновесии

(1494° С), А

- + Же + Г при

стабильном эвтекти-

ческом равновесии

(1152° С), А

+ Же + Ц при

эвтектическом

метастабильном равнове-

сии

(1145°

С),

Фр'+As' + T

при

стабильном

(738° С) и

+ A

+ Ц при

метаста-

бильном

(723° С)

эвтектоид-

ных равновесиях.

Координаты основных

точек диаграмм состояния

указаны

табл.

Точки Кюри феррита

(А

= 768° С) и

цементита

(Л

= 210° С) на

диаграм-

мах

не

указаны.

Приведенные диаграм-

мы являются неполными

(до

6—7% С). Они

харак-

теризуют

фазовые равно-

весия

химически чистых

Fe—С

сплавах. Содержа-

щиеся

же в

промышлен-

ных сплавах примеси,

вза-

имодействуя

атомами

основных компонентов

С и

растворяясь

жидких

твердых

растворах,

в це-

ментите

графите, меняют

условия равновесия.

Наи-

более полно

эти

изменения

описываются тройными

более сложными диаграм-

мами состояния.

При не- Ка^'/

Х*Г(Ц)

больших концентрациях

влияние примеси характе-

ризуется смещением точек

линий диаграмм

Fe—С

сплавов.

качестве

при-

мера

на рис. 104

показано

влияние

1,5% Si на

поло-

жение линий

точек диаг-

раммы стабильного равно-

весия. Важно,

что в при-

сутствии примесей перитектическое, эвтектическое

эвтектоидное

равновесия возможны

интервале температур,

а не при

одной

температуре,

как в

чистых

Fe—С

сплавах.

203

4 5

%С

(по

массе)

Рис.

103.

Диаграммы стабильного

(а) и

мета-

стабильного

(б)

состояний

Fe—С

сплавов;

—

диаграмма состояния

двойными

ли-

ниями

/600

В табл. 5 показано изменение положения основных точек

диаграммы стабильного равновесия

Fe—С

сплавов при добавке

% некоторых элементов.

В зависимости от содержания

углерода

железные сплавы делят

на

стали и чугуны. Сплавы, содержащие

углерода

меньше, чем

СЕ (СЕ'), называют сталями,

а с более высоким содержа-

нием

углерода

— чугунами.

Стали делят на доэвтек-

тоидные, эвтектоидные и заэв-

тектоидные. Доэвтектоидные

содержат

углерода

меньше,

чем Cs (Cs

). Концентрация

углерода

в эвтектоидных ста-

лях равна Cs (Cs-). Более

высокоуглеродистые стали

называют заэвтектоидными.

Обычно стали находятся в

метастабильном состоянии —

они

содержат высокоуглеро-

дистую

фазу в виде цементита. Если она частично или полностью

представлена в виде графита, их называют графитизированными.

Чугуны делят на доэвтектические, эвтектические и заэвтекти-

ческие.

В доэвтектических содержание

углерода

находится в ин-

тервале концентрации С

— Сс (С

- — Сс), в заэвтектических

больше, чем Сс (Сс)-

ТАБЛИЦА

СМЕЩЕНИЕ

ТОЧЕК

ДИАГРАММЫ

СТАБИЛЬНОГО

РАВНОВЕСИЯ

Fe—С

ПРИ

ДОБАВКЕ

ЭЛЕМЕНТА

Рис.

104. Сечение тройной диаграммы ста-

бильного равновесия Fe—Si—С сплавов

Мп

А1

Си

Сг

AT, °C

+2,5

—180

—2

АС, %

—0,11

—0,7

0,03

—0,09

0,08

0,014

—0,07

—0,08

AT", С

—30

-2

•

АС, %

—0,3

—0,33

0,03

—0,05

—0,22

—0,07

0,0

—0,4

AT", С

—35

—30

ДС, %

—0,04

0,1

0,04

—0,04

—0,02

—0,05

В зависимости от фазового состояния, создающегося при

затвердевании,

чугуны

делят на белые (Ж —> А + Д), серые

(Ж

—> А

+•

Г) и половинчатые (Ж — А + Ц + Г). Иногда в одной

отливке встречаются все эти структурные типы

чугуна.

Такие

чугунные отливки называют отбеленными.

204

Кроме

белых, серых и половинчатых чугунов различают

ковкие

чугуны. Они получаются из белых после термической обра-

ботки,

называемой графитизацией, в результате которой вместо

цементита образуется графит.

ЛИТЕРАТУРА

Бунин

К- П. Железоуглеродистые сплавы. Машгиз, 1949.

Бунин

К- П. и др. Основы металлографии

чугуна.

Изд-во «Металлургия»,

1969.

Гиршович Н. Г. Кристаллизация и свойства

чугуна

в отливках. Изд-во

«Машиностроение», 1966.

Гудремон Э. Специальные стали, т. I. Изд-во «Металлургия», 1966.

Лившиц Б. Г. Металлография, Металлургиздат, 1963.

Глава

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

Микроскопическая

картина кристаллизации железных сплавов

зависит

от

содержания

углерода

расплаве.

При

затвердевании

сталей происходят однофазная кристаллизация твердых растворов

перитектическая реакция.

При

затвердевании

чугунов

всегда

встречается эвтектическое превращение. Рассмотрим кристалли-

зацию сталей

чугунов

разным содержанием

углерода.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

Расплавы,

содержащие

углерода

меньше,

чем С

начинают

затвердевать

при

температурах ниже линии

АВ

(рис.

105),

выделяя

кристаллы б-феррита. Если концентрация

углерода

не

превышает

кристаллизация

интервале

—Т

проходит

один этап

—» 6Ф и

сталь приобретает

однофазную

структуру

кристал-

лов б-феррита.

сталях

более

высоким

содержанием

углерода

•с при

охлаждении

до

линии

HJB

кристаллизация

не

завершается

при

температурах ниже этой

линии

происходит перитектиче-

ское превращение

Ж +

бФ—*А.

сталях

концентрацией

углерода

интервале

—Cj

перитектическая кристаллиза-

ция

при

температурах

чуть

ни-

Рис.

105.

Участок диаграммы

Fe—С

же

может привести

полному затвердеванию

созданию

двух-

фазного

6Ф

Л-состояния. Стали

же с

составом

интервале

С,—С

с окончанием перитектической кристаллизации остаются полу-

жидкими;

кристаллизация аустенита продолжается

и при

охла-

ждении

интервале

—Т

Затвердевание завершается лишь

при

температуре

или

ниже.

Сталь

составом

Cj по

окончании перитектической кристалли-

зации

состоит

из

одних кристаллов аустенита.

206

Развитие перитектическои кристаллизации зависит от скорости

диффузии

углерода

в аустените, образующемся на поверхности

кристаллов б-феррита, и переупаковки атомов железа. При

ускоренном охлаждении времени для завершения перитектическои

кристаллизации

может оказаться недостаточно и в стали сохра-

нится

некоторое количество б-феррита. При охлаждении остав-

шаяся

жидкость переходит в аустенит и в полностью закристалли-

зовавшейся стали указанного состава может наблюдаться б-феррит.

Особенно легко б-феррит сохраняется в легированной стали, в ко-

торой кинетика перитектическои кристаллизации связана с диффу-

зионным

перераспределением не только

углерода,

но и легиру-

ющих элементов, по-разному растворяющихся в феррите и аусте-

ните.

Если

концентрация

углерода

в стали превышает С

, кристалли-

зация

начинается с образования зародышей аустенита. Возникают

они

при переохлаждении жидкой стали ниже линии ВС. Для ука-

занного

на диаграмме сплава превращение Ж —• А происходит

интервале температур Т

— Т

. При температурах линии JE

сталь приобретает однофазную

структуру

аустенита.

Кристаллы б-феррита и аустенита

растут

в виде дендритов

(см.

рис. 54, г). Содержание

углерода

в них в

ходе

затвердевания

увеличивается. В зависимости от скорости охлаждения может

возникнуть однородный или неоднородный твердый раствор.

Устранение микронеоднородности для чистых железоуглероди-

стых сплавов не связано с большими трудностями, поскольку атомы

углерода

диффундируют

между

узлами кристаллической решетки

железа с большой скоростью. Если же сплавы содержат

другие

примеси,

гомогенизация твердых растворов затрудняется. В слож-

ном

сплаве неоднородность твердого раствора, вызванная нерав-

номерным

распределением легирующих (и обычных) примесей,

влечет за собой и неравномерное распределение

углерода.

Полная

гомогенизация таких неоднородных растворов возможна лишь

с устранением ликвации малоподвижных атомов легирующих

элементов, что происходит медленно и

требует

длительных высоко-

температурных выдержек.

По

склонности к дендритной ликвации примеси можно располо-

жить в следующий убывающий ряд: S, Р, В, С, W, As, V, Ti,

Mo,

Al, Cr, Mn, Co, Ni (табл. 6).

Из

табл. 6 видно, что особенно сильно ликвируют сера и фос-

фор,

что сильно снижает температуру кристаллизации расплава.

Накапливаются

они в основном в междуветвиях и на границах

дендритов. В легированной стали степень дендритной ликвации

обычно возрастает от поверхности к оси, где в

результате

зональ-

ной

сегрегации концентрируются примеси, понижающие темпе-

ратуру

кристаллизации жидкого раствора (см. рис. 107, г, где

приведена макроструктура поперечного сечения стального слитка

с резко выраженной зональной ликвацией серы).

207

ТАБЛИЦА

СТЕПЕНЬ

ДЕНДРИТНОЙ

ЛИКВАЦИИ

(/С

, •/„)

РАЗЛИЧНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ

НА

ПОЛУРАССТОЯНИИ

ОТ

ПОВЕРХНОСТИ

К ОСИ

СРЕДНЕЙ

ЧАСТИ

СЛИТКА

ВЕСОМ

2—3 т

Элемент

>200

>150

>60

>55

Элемент

>50

>40

>20

Элемент

Сг

Мп

>20

>15

По

мере удаления от поверхности слитка неметаллические

включения становятся более многочисленными и крупными.

На

макроструктуру отливок большое влияние оказывают со-

держание

углерода

в стали и скорость охлаждения. В металличе-

ских формах скорость охлаждения расплава велика и двухфазная

зона,

содержащая кристаллы и жидкость, неширока. На рис. 106

показаны

волны начала (кривая 1)

конца (кривая 2) затвердевания

стали с 0,05—0,1% С. При кри-

сталлизации тонких отливок почти

гладкий фронт затвердевания по-

степенно

продвигается в

глубь

жид-

кой

сердцевины и

структура

отлив-

ки

получается транскристалличе-

ской.

В песчаных формах скорость

охлаждения меньше. Но и в этом

случае

при кристаллизации мало-

... _ углеродистой стали ширина зоны

Рис.

106. Диаграммы затвердева-

J r

ния

малоуглеродистой (/, 2 и 4, 5) частичного затвердевания невели-

среднеуглеродистой (3, 6) стали ка (см. рис. 106, кривые 4 И 5).

Кристаллизуется эта сталь в узком

интервале температур

(20—25°

С), и, несмотря на медленное охлаж-

дение,

в отливке создается широкая зона столбчатых кристаллов.

В стали с

0,55—0,65%

С интервал кристаллизации составляет

~70° С, однако отливка, полученная в металлической форме,

содержит широкую зону столбчатых кристаллов. В песчаной же

форме кристаллизуется отливка, состоящая в основном их равно-

осных кристаллов. Рис. 106 характеризует распространение волн

начала (кривая 3) и конца (кривая 6) затвердевания в песчаной

форме.

Видно, что вся отливка находилась в состоянии частичного

затвердевания в течение одной пятой части общей продолжитель-

ности

кристаллизации. Таким образом, увеличение содержания

углерода

в стали способствует расширению зоны равноосных

кристаллов.

208

Макроструктура стальной отливки зависит от степени раски-

сления.

Если в качестве раскислителя, кроме марганца, исполь-

зуют

кремний и алюминий и из расплава достаточно полно уда-

Рис.

107. Продольные сечения слитков кипящей

(а),

полуспокойной (б) и спокойной (в) стали и

макроструктура поперечного сечения слитка ки-

пящей

стали (г), X 0,2

ляется кислород, сталь при кристаллизации

ведет

себя «спокойно»

формируется плотный слиток с сосредоточенной усадочной

раковиной.

Повышение содержания

углерода

увеличивает объем

усадки стали. Для уменьшения пораженности слитка усадочной

раковиной ее выводят в прибыльную часть,

удаляемую

при даль-

209

нейшей

обработке.

На рис. 107, в

приведена схема макроструктуры

слитка спокойной стали.

Если

раскисление производят только марганцем,

жидкой

стали сохраняется много закиси железа, которая

процессе

раз-

ливки

кристаллизации восстанавливается углеродом. Обра-

зующиеся

при

этом газообразные продукты выделяются

из рас-

плава^

создается впечатление,

что

сталь «кипит».

слитках

ки-

пящей

стали сосредоточенная усадочная раковина

отсутствует,

а имеется рыхлость, обусловленная скоплением

пор и

пузырей

верхней части слитка. Много газовых пузырей (подкорковых,

«сотовых»)

и в

других

частях слитка

(рис. 107, а). В

слитке непол-

ностью раскисленной (полуспокойной) стали газовых пузырей

меньше,

усадка проявляется

виде раковин

и пор (рис. 107, б).

Нарушения

сплошности (раковины, поры, пузыри, трещины),

ликвация

неметаллические включения

ухудшают

свойства

стального литья. Влияние дефектов зависит

от их

природы, формы,

величины,

распределения

и т. д.

Металлографический контроль

качества стали производят сравнительным методом:

структуру

наиболее загрязненных (дефектных) участков литья сопоставляют

с эталонами.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СЕРЫХ ЧУГУНОВ

Промышленные

серые

чугуны

всегда содержат кремний.

При

рассмотрении микроскопической картины

их

кристаллизации

воспользуемся вертикальным разрезом диаграммы состояния

J 8

\А<Ж

А>Ц

Fe'2%Si

Рис.

108.

Участок диаграммы стабильного состояния Fe—Si—С спла-

вов

(а) и

метастабильного состояния

Fe—С

(б)

Fe—Si—С

сплавов. Согласно

рис. 108, а,

затвердевание доэвтек-

тических

заэвтектических

чугунов

происходит

в два

этапа.

При

температурах выше эвтектических образуются кристаллы избы-

точных

фаз

первичного аустенита

интервале

первичного

графита

интервале ТэТ

. Вторым этапом затвердевания доэвтек-

тических

заэвтектических

чугунов

является эвтектический

распад жидкости

Ж —» А + Г при

охлаждении

температурных

интервалах

и Т,Т

Затвердевание эвтектических

чугунов

210