Кузьмин Б.А. и др. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

111

Г л а в а VI

СТРОЕНИЕ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

§ 1. Железо и его соединения с углеродом

К железоуглеродистым сплавам относят стали и чугуны. Основными эле-

ментами, ог которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, является

железо и углерод.

Железо может находиться в двух аллотропических формах - а и у. Железо

с углеродом образует твердые растворы внедрения

и химические соединения, а- железо растворяет углерода очень мало (до

0,02% при температуре 727° С). Твердый раствор углерода и других элементов

в а-железе называется феррипюм. Структура феррита показана на рис. 64, а.

Феррит имеет низкую твердость и прочность: НВ80; = 250 МН/м« (25 кгс/мм

)

и высокую пластичность: (б = 50%; = 80%). Поэтому технически чистое желе-

зо, структура которого представляет зерна феррита, хорошо подвергается хо-

лодной деформации, т. е. хорошо штампуется, прокатывается, протягивается в

холодном состоянии. Чем больше феррита в железоуглеродистых сплавах, тем

они пластичнее. -железо растворяет углерод в значительно больших коли-

чествах- до 2,14% при температуре 1147° С. Твердый раствор углерода и дру-

гих элементов в -железе называется аустенитом. Характерная особенность ау-

стенита заключается в том, что он в железоуглеродистых сплавах может

112

сущ,ествовать только при высоких температурах. Как и всякий твердый рас-

твор, аустенит имеет микроструктуру, представляющую собой зерна твердого

раствора (рис. 64, б). Аустенит пластичен, твердость его НВ160- 200, 6 - 40-

50%.

Железо с углеродом также образуют химическое соединение FeзС назы-

ваемое цементитом или карбидом железа. В цементите 6,67% С; он имеет высо-

кую твердость (НВ ~ 800), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пла-

стичность. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем большей

твѐрдостью и меньшей пластичностью они обладают. При микроскопическом

исследовании цементит выявляется в виде светлых кристаллов (сетка на рис.

64, в). Цементит неустойчив и при определенных условиях может распадаться,

выделяя свободный углерод в виде графита. Это свойство цементита рассмот-

рено подробнее при изучении серых и ковких чугунов.

§ 2. Диаграмма состояния железо - цементит (Fe - Fe

Диаграмма состояния Fe -Fe

C (в упрощенном виде) приведена на рис. 65.

На этой диаграмме точка А (1539° С) соответствует температуре плавления (за-

твердевания) железа, а точка D (~ 1600° С) - температуре плавления (затверде-

вания) цементита. Линия ACD - это линия ликвидуса, показывающая темпера-

туры начала затвердевания (конца плавления) сталей и белых чугунов. При

температурах выше линии ACD - сплав жидкий. Линия AECF - это линия соли-

дуса, показывающая температуры конца затвердевания (начала плавления).

По линии ликвидуса АС (при температурах, соответствующих линии АС)

из жидкого сплава кристаллизуется ауетенит, а по линии ликвидуса CD - це-

ментит, называемый первичным цементитом. В точке С при температуре 1147°

С и содержании 4,3% углерода из жидкого сплава одновременно кристаллизу-

ется аустенит и цементит первичный, образуя эвтектику, называемую ледебу-

ритом. При температурах, соответствующих линии солидуса АН, сплавы с со-

держанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием

113

структуры аустенита. На линии солидуса ЕС (1147° С) сплавы с содержанием

углерода от 2,14 до 4,3% окончательно затвердевают с образованием эвтектики

ледебурита. Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выде-

ляется аустенит, следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют

структуру аустенит -f ледебурит.

На линии солидуса CF (1147° С) сплавы с содержанием углерода ог 4,3 до

6,67% окончательно затвердевают также с образованием эвтектики ледебурита.

Так как при более высоких температурах из жидкого сплава выделяется цемен-

тит (первичный), следовательно, такие сплавы после затвердевания имеют

структуру - первичный цементит -f ледебурит.

В области АСЕ А, между линией ликвидуса и солидуса AtC, имеется

жидкий сплав -f кристаллы аустенита; в области CDF, между линией ликвиду-

са CD и солидуса CF, - жидкий сплав + 4- кристаллы цементита (первичного).

в результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием

углерода до 2,14% образуется однофазная структура - ау стен ИТ.

Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кристал-

лизации в равновесных условиях получается аустенитная структура, называют

сталями. Следовательно, сталь - это железоуглеродистые сплавы с содержанием

углерода

114

до 2,14%.

Сплавы с содержанием углерода более 2,14%, в которых при кристалли-

зации образуется эвтектика ледебурит, называют чугунами. Следовательно, чу-

гун - это железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14%. В

рассматриваемой системе практически весь углерод находится в связанном со-

стоянии, в виде цементита. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый

излом), поэтому такие чугуны называют белыми.

В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоянии харак-

теризуют линии GSE, PSK, PQ.

Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при ох-

лаждении). Следовательно, в области GSP имеется структура аустенит + фер-

рит. Критические точки, лежащие на линии GS обозначают Л.,; при нагреве их

обозначают Асд, а при охлаждении - Агд. Линия SE показывает, что с пониже-

нием температуры растворимость углерода в аустените уменьшается. Так, при

1147° С в аустените может раствориться углерода 2,14%, а при 727° С- 0,8%. С

понижением температуры в сталях с содержанием углерода от 0,8 до 2,14% из

аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого вто-

ричным. Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727° С) сталь имеет

структуру: аустенит +

115

+ цементит (вторичный). Критические точки, лежащие на линии SE, обо-

значаются Аст. В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3% при 1147° С,

кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры то-

же выделяется вторичный цементит. Следовательно, ниже линии ЕС (до темпе-

ратуры 727° С) белый чугун имеет структуру: ледебурит + аустенит + цементит

вторичный.

Линия PSK (727° С) - это линия эвтектоидного превращения. На этой ли-

нии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя струк-

туру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и на-

зываемую перлитом. Критические точки, лежащие на линии PSK, обозначаются

, при нагреве их обозначают Ac, а при охлаждении - Аг.

Ниже 727° С железоуглеродистые сплавы имекуг следующие структуры.

Стали, содержащие углерода менее 0,8%, имеют структуру феррит + перлит и

называются доэвтектоидными сталями (рис. 66, а).

Сталь с содержанием углерода 0,8% имеет структуру перлита и называет-

ся эвтектоидной сталью (рис. 66, б).

Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14% имеют структуру перлит +

цементит (вторичный) и называются заэвтектоидными сталями (рис. 66, в).

116

Белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3% имеют структуру

перлит + вторичный цементит + ледебурит и называются доэвтектическими

чугунами (рис. 67, а).

Белый чугун с содержанием углерода 4,3% имеет структуру ледебурита и

называется эвтектическим чугуном (рис. 67, б).

Белые чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67% имеют структуру

цементит первичный + ледебурит и называются заэвтектическими чугунами

(рис. 67, в).

Линия PQ (рис. 65) показывает, что с понижением температуры раство-

римость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727° С до 0,006% при

комнатной температуре. При охлаждении ниже температуры 727° С из феррита

выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным. В

большинстве сплавов железа с углеродом третичный цементит структурно не

выявляется. Однако в низкоуглеродистых сталях в условиях медленного охла-

ждения третичный цементит выделяется по границам зерен феррита (рис. 68),

уменьшая пластические свойства стали, особенно ее способность к холодной

штамповке.

§ 3. Превращения, происходящие при нагреве и охлаждении сталей и

белых чугунов

Превращения в сталях

117

Сталь доэвтектоидная с содержанием 0,3% углерода (рис. 69). П р и н а-

г р е в е до Ac

(727° С) превращений нет, и сталь имеет структуру перлит +

феррит. При Ac

(727° С) происходит превращение перлита в аустенит и обра-

зуется структура аустенит + феррит. От Ac

до Асз феррит превращается в ау-

стенит. При Ас

сталь имеет структуру аустенита. От Ас

до tc (температуры

солидуса) сталь находится в твердом состоянии и имеет структуру аустенита.

При температуре солидуса начинается плавление аустенита.

От температуры солидуса t

до температуры ликвидуса имеется аустенит

+ жидкий сплав. Выше сталь находится в жидком состоянии.

При охлаждении до температуры tjj сталь находится в жидком состоянии.

При начинается кристаллизация аустенита. От f„ до tc происходит кристаллиза-

ция аустенита, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От ti до Агз

сталь имеет структуру аустенита. От Агд до Ari часть аустенита превращается в

феррит, и сталь имеет структуру: аустенит + феррит. При Afi (727° С) происхо-

дит превращение аустенита в перлит. Ниже Лг^ сталь до полного охлаждения

имеет структуру: перлит + феррит (см. рис. 66, а).

Сталь эвтектоидная с содержанием 0,8% углерода (см. рис. 69). П р и

н а г р е в е до Ac1 (727° С) превращений нет, и сталь имеет перлитную струк-

туру. При Ac1 происходит превращение перлита в аустенит. Выше Ac1 до на-

чала плавления сталь имеет аустенитную структуру. При температуре солидуса

(для этой стали tl) начинается плавление аустенита. От tl до (температура лик-

118

видуса) происходит плавление, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава.

Выше t„ сталь находится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до tл сталь находится в жидком состоянии. При tл начи-

нается кристаллизация аустенита. От tл до tс происходит кристаллизация ау-

стенита и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От t

до Аг (727° С)

сталь состоит из аустенита. При Агх происходит превращение аустенита в пер-

лит. Ниже Аг сталь имеет структуру перлита (см. рис. 66, б).

Сталь заэвтектоидная с содержанием 1,2% углерода (см. рис. 69). При

нагреве до Ас1 (727° С) превращений нет, и сталь имеет структуру: перлит +

цементит вторичный. При Ac1 происходит превращение перлита в аустенит. От

Ас1 до Аст (критическая точка, лежащая на линии SE) происходит растворение

вторичного цементита в аустените. При Аст сталь имеет аустенитную структу-

ру. От Аст до температуры солидуса ^с, лежащей на линии АЕ, сталь находит-

ся в аустенитном состоянии. При tl начинается плавление аустенита. В интер-

вале от tl до Й сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. Выше й сталь пол-

ностью находится в жидком состоянии.

При охлаждении до tл сталь находится в жидком состоянии. При t„ (тем-

пература ликвидуса) начинается кристаллизация аустенита. От tn до tl происхо-

дит кристаллизация аустенита и сталь состоит из жидкого сплава и аустенита.

При tl (температура солидуса) сталь полностью затвердевает и структура ее

представляет аустенит. От tl до линии SE (температура Аст) структура стали не

изменяется. При Аст начинается выделение втрричного цементита.

От Аст до Aс1 (727° С) происходит выделение вторичного цементита и

структура стали состоит из аустенита и вторичного цементита. При Aс1 (727°

С) аустенит превращается в перлит. Ниже Ari сталь имеет структуру: перлит +

цементит вторичный (см. рис. 66, в).

Превращения в белых чугунах

119

Доэвтектический белый чугун с содержанием 3,0% углерода (см. рис. 69).

При нагреве до А превращений нет и чугун имеет структуру: ледебурит + пер-

лит -|- вторичный цементит. При этом эвтектика состоит из цементита и перли-

та. При Ас3 происходит превращение перлита в аустенит. Это превращение

претерпевает как свободный перлит, так и перлит, входящий в эвтектику. Выше

Лс1 чугун состоит из аустенита, вторичного цементита и ледебурита. При этом

эвтектика состоит из цементита и аустенита.

От Ac1 до (1147° С) происходит растворение вторичного цементита в ау-

стените и аустенит насыщается углеродом до 2,14%.

При t^ плавится ледебурит. Выше t, чугун состоит из аустенита и жидкого

сплава. От до й плавится аустенит. Выше Й чугун находится полностью в жид-

ком состоянии.

При охлаждении до л чугун находится в жидком состоянии. При t начи-

нается кристаллизация аустенита. От tn до t, (1147° С) происходит кристалли-

зация аустенита и чугун состоит из аустенита с содержанием 2,14% углерода и

жидкого сплава эвтектического состава (4,3% углерода).

При происходит эвтектическая кристаллизация и образуется ледебурит,

состоящий из цементита и аустенита с содержанием углерода 2,14%. От t(1147°

С) до Лгх (727° С) из аустенита, как свободного, так и входящего в ледебурит,

выделяется вторичный цементит и содержание углерода понижается до 0,8%.

Следовательно, в этом интервале температур чугун состоит из ледебурита, ау-

стенита и вторичного цементита. При Ari (727° С) происходит превращение ау-

стенита в перлит.

Ниже Ar1 чугун состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита

(см. рис. 67, а).

Эвтектический белый чугун с содержанием углерода 4,3% С (см. рис. 69).

При нагреве до Ac1 превращений нет и чугун имеет структуру - ледебу-

рит, состоящий из цементита, перлита и вторичного цементита. При Ac1 проис-

120

ходит превращение перлита в аустенит. Выше Ac1 чугун имеет структуру: ле-

дебурит, состоящий из цементита, аустенита и вторичного цементита. От Ac1

до 4 происходит растворение вторичного цементита и аустенит насыщается уг-

леродом до 2,14%. При /, чугун полностью расплавляется. Выше чугун на-

ходится полностью в жидком состоянии.

При оxлаждении до (1147° С) чугун находится в жидком состоянии. При

4 (1147° С) чугун полностью затвердевает и образуется структура - ледебурит,

состоящий из аустенита, содержащего 2,14% углерода и цементита. От до Ari

из аустенита выделяется вторичный цементит и содержание углерода в аусте-

ните понижается до 0,8%. При Ari аустенит превращается в перлит. Ниже Ari

чугун имеет структуру - ледебурит, состоящий из цементита, перлита и вторич-

ного цементита (см. рис. 67, б).

Заэвтектический белый чугун с содержанием 5,0% углерода (см. рис. 69).

При нагреве до Ac1 превращений нет и чугун имеет структуру - ледебурит +

первичный цементит. При Ac1 (727° С) перлит, находящийся в эвтектике, пре-

вращается в аустенит. Выше Aci чугун имеет структуру - ледебурит и первич-

ный цементит, но эвтектика состоит из цементита и аустенита. От Ac1 до

(1147° С) происходит насыщение аустенита углеродом вследствие растворения

вторичного цементита и при 1147° С в аустените содержится 2,14% углерода.

При 4 плавится эвтектика. Выше чугун состоит из жидкого сплава и пер-

вичного цементита.

От 4 до происходит плавление первичного цементита. Выше fji чугун

полностью находится в жидком состоянии.

При охлаждении до чугун находится в жидком состоянии. При tn начина-

ется кристаллизация первичного цементита. От до 4 (1147° С) происходит кри-

сталлизация первичного цементита и чугун состоит из жидкого сплава и пер-

вичного цементита. При чугун состоит из первичного цементита и жидкого