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

Подождите немного. Документ загружается.

происходит

Один этап:

интервале температур

7V Т

жидкость

распадается

на

аустенит

графит.

Первичный

аустенит кристаллизуется,

как и в

сталях,

виде

дендритов, разветвленность которых увеличивается

ускорением

охлаждения

интервале

Обычно кристаллы избыточного

аустенита химически неоднородны.

малоуглеродистых

чугунах

середине дендритных ветвей кремния меньше,

чем на

периферии,

высокоуглеродистых, наоборот,

середине ветвей кремния

больше.

При

средних концентрациях

углерода

микроликвация

имеет смешанный характер.

Если

кремний распределен

аустените неравномерно,

то

неод-

нородно

содержание

углерода.

Кремний повышает химический

потенциал

углерода

аустените,

поэтому

областях

повышен-

ным

содержанием кремния концентрация

углерода

понижена.

Вид первичного графита, выделяющегося

заэвтектических

чугунах

температурном интервале

ТдТ

зависит

от

состояния

расплава.

обычных немодифицированных

чугунах

первичный

графит имеет

вид

слаборазветвленных розеток

пластиновидными

лепестками

(рис. 109, а).

Если

эти

розетки рассекаются

пло-

скостью шлифа

не по

центру,

то при

микроанализе видны лишь

сечения

отдельных ветвей розетки

и их

нередко принимают

за

независимо

выросшие изолированные графитные пластины.

чугунах,

модифицированных магнием, церием

некото-

рыми

другими элементами

(из

лантанидов, щелочных

щелочно-

земельных металлов), первичный графит имеет

вид

сферокристал-

лов

(рис. 109, б).

Такой графит называют шаровидным. Располо-

жение базисных плоскостей решетки графита

пластиночных

шаровидных включениях графита показано

на рис. 109, в.

После

того

как

чугуны

переохлаждаются ниже линии

E'C'F'

(см.

рис. 108, а),

становится возможным одновременное выделение

аустенита

графита,

т. е.

эвтектический распад

Же

—>

А + Г.

Сначала рассмотрим микроскопическую картину этой двухфазной

кристаллизации

чугунах

эвтектического состава.

переохла-

жденном расплаве первым начинает выделяться обычно графит.

При

медленном охлаждении

он, как и

первичный, растет,

раз-

ветвляясь слабо,

а при

ускоренном

—

сильно. Затем

на

отдельных

участках поверхности графита зарождается

растет

на ней

аусте-

нит.

Выступающие

же

кромки графитных ветвей продолжают

соприкасаться

жидкостью. Несколько этапов начальной стадии

эвтектического распада

—*

А + Г

показаны

на рис. 109, г.

Справа виден

уже

сформировавшийся начальный

А + Г

агрегат,

имеющий

двухфазный фронт кристаллизации.

При

последующем

его росте, происходящем

результате

выделения аустенита

графита,

дальнейшем разветвлении графитного скелета форми-

руется эвтектическая

А + Г

колония

(рис. ПО, а). Она тем

ближе

сферической,

чем

быстрее охлаждается расплав.

При

медленном

охлаждении фронт двухфазной кристаллизации неровный.

конце

211

эвтектического превращения А + Г колонии срастаются и жидкая

фаза в промежутках

между

ними исчезает (рис. 110, б).

Нередко графит эвтектических колоний под микроскопом

имеет вид изолированных пластин. Если, однако, колонии пере-

v "^Л*1й«4эаии<л»лл

Рис.

109. Первичный графит в заэвтектическом

чугуне

(а, б), расположение базисных плоскостей решетки гра-

фита в пластиночных и шаровидных включениях (в) и

структура

эвтектического

чугуна

(г): а, в, г — X 100;

б—

Х500

секаются плоскостью шлифа по центру, то видно, что графитный

скелет их является обычно одним либо слабо разветвленным

образованием (при малых переохлаждениях, рис. ПО, б), либо

сильно разветвленным (при большом переохлаждении, рис. 110, г).

В модифицированных магнием

чугунах

эвтектическая кристал-

лизация

—>

А + Г происходит абнормально. Образующиеся

первоначально вследствие выделения из жидкости сферокристаллы

графита затем обволакиваются аустенитом (рис. 111, а—в). В даль-

212

Время

Рис.

ПО. Аустенито-графит-

ные колонии (а, б), прост-

ранственная форма графит-

ных включений в сером чу-

гуне (в, г) и схема формиро-

вания

структуры при кри-

сталлизации доэвтектическо-

го

чугуна

с пластиночным

графитом (д) (Ц. О. центр

отливки; П. О.—поверхность

отливки)

213

нейшем

графитное включение растет лишь в результате притока

атомов углерода из жидкости через аустенитную оболочку. Обо-

лочка же утолщается в результате прямого выделения аустенита

из

жидкого раствора, В конце затвердевания аустенитные обо-

лочки

срастаются и жидкость исчезает.

Рис.

111. Структура модифицированного

чугуна

(а — в, Х200), схема

кристаллизации доэвтектического

чугуна

с шаровидным графитом (г) и

фосфидная

эвтектика в сером

чугуне

(д)

В доэвтектических

чугунах

с низким содержанием углерода

эвтектический распад испытывают тонкие прослойки жидкости

междуветвиях дендритов первичного аустенита. В этом случае

размещение графита в междуветвиях видно особенно хорошо.

В высокоуглеродистых доэвтектических

чугунах

с малым коли-

чеством первичного аустенита дендритность выявляется с трудом

из-за

срастания избыточного и эвтектического аустенита. Струк-

тура

же самих А + Г колоний и ее связь со скоростью охлаждения

доэвтектических и эвтектических чугунов сходны. В доэвтекти-

ческих магниевых

чугунах

размещение графитных включений

214

также связано с дендритами первичного аустенита. Выделяясь-

междуветвиях, сферокристаллы графита затем обволакиваются

аустенитом в

результате

разрастания дендритных ветвей. Часто

образуются цепочки включений графита вдоль ствола и ветвей

(см.

рис. 111, г). Близко расположенные включения, разрастаясь,,

соприкасаются и создаются двойные, тройные и более сложные:

сростки сферокристаллов.

В заэвтектических

чугунах

картина эвтектического распада

связана

с условиями охлаждения. При малых переохлаждениях

ниже температуры Т

(см. рис. 104) эвтектические графит и аусте-

нит

выделяются в основном на поверхности первичного графита

отличить по

структуре

такой

чугун

от эвтектического трудно.

При

увеличении переохлаждения на поверхности первичного

графита выделяется все меньшая доля эвтектического. Основной же

его объем кристаллизуется совместно с аустенитом в виде колоний

между

ветвями первичного графита. При этом формирование

колоний

может начинаться и на розетках первичного графита

(разветвлением их кромок) и в

результате

самостоятельного

зарождения А + Г агрегатов. В этом

случае

заэвтектический

чугун

по

структуре

легко отличить от эвтектического.

Эвтектический графит модифицированного магнием

чугуна

также часто выделяется на поверхности первичных сферокристал-

лов.

Он может расти и на зародышах эвтектического происхо-

ждения.

Микроликвация

кремния в аустените наблюдается и при

эвтектической кристаллизации.

Аустенит,

находящийся в сере-

дине А + Г колоний и около графита, содержит больше кремния,

чем вдали от графита и на периферии колоний. Содержание

угле-

рода напротив в высококремнистых областях меньше, чем в низ-

кокремнистых. В аустените модифицированного

чугуна

концен-

трация

кремния вблизи сферокристаллов графита больше, чем

вдали от них.

Очень неравномерно распределен в серых

чугунах

фосфор.

Он

сильно ликвирует при кристаллизации. В аустените раство-

римость его невелика, и при затвердевании отливок он концентри-

руется в последних прослойках жидкости, образуя здесь фосфид

составляющий основу легкоплавкой эвтектики, затверде-

вающей при

950°

С (см. рис. 111, д). В

чугунах,

близких к эвтек-

тическому, фосфидная эвтектика располагается в основном на

границах А + Г колоний. В доэвтектических она встречается

между

ветвями первичного аустенита.

Легирующие элементы (Ni, Сг, Мо, Си и др.) добавляют к серым

чугунам

главным образом для регулирования структурных изме-

нений

в твердом состоянии.

Структуру

же серых чугунов, форми-

рующуюся при затвердевании, они (при небольших добавках)

изменяют мало. Ликвируют они по-разному. Такие элементы, как

марганец, хром, молибден, обогащают периферийные зоны ден-

215

дритных ветвей

эвтектических колоний. Никель, медь

алюми-

ний

сосредоточиваются

середине ветвей

колоний.

Кристаллизация

отливок

из

серого

чугуна

нагляднее всего

может быть описана

при

помощи диаграмм затвердевания.

В ка-

честве примера

на рис. 110, д

показана диаграмма

для

доэвтекти-

ческого

чугуна.

Левая (пунктирная) кривая характеризует

рас-

пространение

по

сечению отливки волны начала выделения

пер-

вичного аустенита; средняя кривая

—

волны начала эвтекти-

ческого распада

—>

А + Г и

правая кривая

—

волны окончания

эвтектической кристаллизации. Пользуясь диаграммой, можно

для любого момента времени

представить состояние отливки

по

всему

ее

сечению.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ БЕЛЫХ ЧУГУНОВ

Промышленные

белые

чугуны

содержат немного кремния,

при

описании микроскопической картины

их

кристаллизации

можно пользоваться диаграммой метастабильных состояний

Fe—С

сплавов

(см. рис. 108, б). Как

видно

из

диаграммы, затвердевание

доэвтектических белых

чугунов

происходит

в два

этапа:

интер-

вале температур

—Т

выделяется первичный аустенит,

а при

переохлаждении остатка жидкости ниже

происходит эвтекти-

ческая кристаллизация

—•

А + Ц.

Эвтектический

чугун

за-

твердевает

один этап: после переохлаждения

до

температур

ниже

жидкость распадается

на

аустенит

цементит. Заэвтек-

тические

чугуны

кристаллизуются

в два

этапа. Сначала выделяется

первичный

цементит

(в

интервале

—Т

а при

температурах

ниже

остаток жидкости переходит

аустенито-цементитную

эвтектику.

Кристаллы первичного аустенита белых чугунов,

как и

серых,

имеют дендритную форму. Первичный цементит выделяется

виде тонких пластин.

При

микроанализе обычно обнаруживаются

поперечные сечения пластин

редко продольные.

На рис. 112, а

видны

два

кристалла цементита; один (внизу) разрезан плоскостью

шлифа

поперек,

другой, имеющий зубчатые очертания,

— па-

раллельно базису.

Пластины

первичного цементита утолщаются

результате

послойного нарастания плоских дендритов.

При

больших пере-

охлаждениях цементитные пластины веерообразно расщепляются

(см.

рис. 112, б).

Пластиночная

форма кристаллов цементита

расщепляемость

обусловлены неоднородностью межатомной связи

легкостью

разрыва более слабых металлических связей

плоскости (001).

Как

указывалось выше, легкость расщепления характерна

и для

графита, также обладающего слоистой структурой

слабой

связью

между

слоями.

При

кристаллизации заэвтектического

чугуна

интервале

температур

—Т

термодинамически возможно

выделение

216

графита; оно приводит к большему выигрышу свободной энергии.

Однако при ускоренном охлаждении выделение цементита

кине-

тически выгоднее. Оно не

требует

значительных передвижений

атомов железа; необходимая же диффузия углерода успевает

пройти

и в условиях больших переохлаждений.

Рис.

112. Первичный цементит в заэвтектическом

чугуне

(а,

Х200),

расщепление пластин первичного цементита (б,

Х200)

струк-

тура

грубого

конгломерата фаз в доэвтектическом белом

чугуне

(в,

ХЗОО)

При

охлаждении до температур ниже эвтектической в белых

чугунах

происходит двухфазная кристаллизация Ж —> А + Ц.

При

малых переохлаждениях кристаллы аустенита и цементита

формируются без взаимного прорастания. Образуется структура

грубого конгломерата. На рис. 112, в она иллюстрируется на при-

мере доэвтектического

чугуна:

эвтектический аустенит наслаивался

на

ветвях первичного, а пластины эвтектического цементита

росли в междуветвиях. Этот цементит при обычном травлении

217

HNO

кажется монолитным (рис. 113, а). Но различными мето-

дами травления выявляется его поликристалличность (б, в, г).

При

увеличении переохлаждения двухфазная кристаллиза-

ция

Ж —» А + Ц приводит к прорастанию цементита аустенитом

формируются колонии эвтектики, называемой ледебуритом.

В зависимости от условий кристаллизации колонии имеют либо

сотовое (сотовый ледебурит, рис. 114, а), либо пластиночное

строение (пластиночный ледебурит, рис. 114, в).

Рис.

113. Структура белого

чугуна

после травления азот-

ной

кислотой (а), вакуум—термического (б), электроли-

тического (а) и в пикрате натрия (г),

Х200

Сотовое и пластиночное строение может сочетаться в преде-

лах одной колонии (рис. 114, б).

Колонии

сотового ледебурита представляют собой пластины

цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита.

Разрезы

колонии вдоль ветвей аустенита и поперек показаны на

рис.

114, г—д. Если плоскость базиса цементита параллельна

поверхности шлифа, сечения ветвей приблизительно круглые.

Если

шлиф проходит под

углом

к этой плоскости, сечения эллип-

тические.

В заэвтектических

чугунах

колонии ледебурита формируются

на

базе пластин первичного цементита (рис. 115). Рост колонии

начинается

с появления на поверхности цементитной пластины

плоского дендрита аустенита (рис. 115, а). Жидкость в

между-

ветвиях обогащается углеродом и здесь прорастает цементит,.

218

являющийся

продолжением исходной пластины. Таким образом,

создается двухфазный фронт кристаллизации, продвижение кото-

рого в жидкость и

ведет

к формированию сотового ледебурита

(рис.

115, а).

В доэвтектичееких и эвтектических

чугунах

сотовый

ледебурит

растет на базе пакета тонких цементитных пластинок, разделенных

аустенитом (см. рис. 115, б). Сошлифовка пакета показывает,

;••

f I

та

Рис.

114. Колонии ледебурита в белом

чугуне

(а — в, X 100) и различ-

ные

сечения сотового ледебурита (г, д,

Х300)

что он образован двумя переплетенными кристаллами цементита

аустенита. Обычно толщина этого центрального пластиночного

пакета невелика, но он может составлять и большую долю коло-

нии.

Доля объема с пластиночным строением увеличивается с ро-

стом переохлаждения (рис. 115, в). При больших скоростях

охла-

ждения сотового строения вообще не получается и весь

ледебурит

становится пластиночным. В этом

случае

разветвленный цемен-

тит колонии имеет веерообразный вид, а при еще больших пере-

охлаждениях — сферолитный. Подобное расщепление эвтекти-

ческого цементита, напоминающее расщепление графита, обуслов-

лено спецификой атомного строения — слоистостью и неоднород-

ностью межатомных связей.

219

Рис.

115. Схема роста сотового (а), пластиночного (б) ледебурита и вееро-

образные и сферолитные колонии (в)

220