Анализ металлов и сплавов

      6. Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре ниже 727"С ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь перлита с цементитом.

      Помимо  перечисленных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут  быть нежелательные неметаллические  включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды — соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором. На их основе могут образовываться новые структурные составляющие, например фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С. Она образуется при больших содержаниях фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5—0,7% фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границам зерен и повышает хрупкость чугуна.

      Диаграмма состояния железо - цементит.

      Диаграмма состояния железо — цементит (в  упрощенном виде):

      А — аустенит, П — перлит, Л — ледебурит, Ф — феррит, Ц — цементит 

        В диаграмме состояния железо — цементит (Fe—Fe3C) рассматриваются процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали и чугуна) и превращения в их структурах при медленном охлаждении от жидкого расплава до комнатной температуры. Диаграмма (рис. 10) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14до 6,67% — чугуном.

      Диаграмма состояния Fe—Fe3C представлена в упрощенном виде. Первичная кристаллизация, т.е. затвердевание жидкого сплава начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса ACD. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре 1539° плавления (затвердевания) железа, точка D - температуре ~ 1600°С плавления (затвердевания) цементита. Линия солидуса АЕСР соответствует температурам конца затвердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD — цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147° С и содержании углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит (первичный), образуя эвтектику — ледебурит. При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интервале 2,14—4,3% С — аустенита, а в интервале 4,3—6,67% С цементита первичного (см.рис. 14).

      В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14%, т.е. в сталях, образуется однофазная структура — аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т.е. в чугунах, при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

      Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) происходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK и ОРО. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной аллотропической модификации в другую (у в а) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита.

      В области диаграммы AGSE находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением феррита при температурах, соответствующих линии GS, и цементита, называемого вторичным, при температурах, соответствующих лини и SE. Вторичным называют цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита, в отличие от первичного цементита, выделявшегося из жидкого расплава. В области диаграммы GSP находится смесь феррита и распадающегося аустенита. Ниже линии GР существует только феррит. При дальнейшем охлаждении до температур, соответствующих линии PQ , из феррита выделяется цементит (третичный). Линия PQ показывает, что с понижением температуры    

      Микроструктура:

      а - доэвтектоидная сталь - феррит (светлые участки) и перлит (темные участки) при 500^х увеличении, б — эвтектоидная сталь — перлит (1000'), в — заэвтектоидная сталь - перлит и цементит в виде сетки (200')

растворимость углерода в феррите уменьшается  от 0,02% при 727°С до 0,005% при комнатной температуре.

      В точке S при содержании 0,8% углерода и температуре 727°С весь аустенит распадается и превращается в механическую смесь феррита и цементита—перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной (рис. 11, б). Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода называют доэвтектоидными (рис. 15, а), а от 0,8 до 2,14% углерода - заэвтектоидными (рис. 11, в).

      При температурах, соответствующих линии PSK, происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита, представляющего собой механическую смесь феррита и цементита. Линию PSK называют линией перлитного превращения.

      При температурах, соответствующих линии SE, аустенит насыщен углеродом, и при понижении температуры из него выделяется избыточный углерод в виде цементита (вторичного).

      Вертикaль DFKL означает, что цементит имеет неизменный химический состав. Меняется лишь форма и размер его кристаллов, что существенно отражается на свойствах сплавов. Самые крупные кристаллы цементита образуются, когда он выделяется при первичной кристаллизации из жидкости.

      Белый чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим (рис. 12). Белые чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода, называют доэвтектическими, а от 4,3 до 6,67% углерода — заэвтектическими.

      Микроструктура  белого чугуна при 500^х увеличении:

      а — доэвтектический чугун — перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), б—эвтектический чугун —ледебурит (смесь перлита и цементита), в - заэвтектический чугун - цементит (светлые пластины) и ледебурит

      По  достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом доэвтектоидного состава (0,8% углерода), превращается в перлит. После окончательного охлаждения доэвтектические белые чугуны состоят из перлита, ледебурита (перлит + цементит) и цементита (вторичного). Чем больше в структуре такого чугуна углерода, тем меньше в нем перлита и больше ледебурита.

      Белый эвтектический чугун (4,3% углерода) при  температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита. Белый заэвтектический чугун, содержащий более 4,3% углерода, после окончательного охлаждения состоит из цементита (первичного) и ледебурита. Следует отметить, что при охлаждении ледебурита ниже линии PSK входящий в него аустенит превращается в перлит, т.е. ледебурит при комнатной температуре представляет собой уже смесь цементита и перлита. При этом цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита является причиной его большой твердости (НВ>600) и хрупкости.

      Диаграмма состояния железо — цементит имеет  большое практическое значение. Ее применяют для определения тепловых режимов термической обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штамповка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для определения температуры плавления, что необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы.

3. Чем отличается серый чугун от белого?  Какое превращение называется эвтектическим?

     Чугуном называется сплав железа  с углеродом, содержащий от 2,14 до 6,67 % углерода. Но это теоретическое  определение. На практике содержание  углерода в чугунах находится  в пределах 2,5 – 4,5 %. В качестве  примесей чугун содержит кремний,  марганец, серу и фосфор.

      Белыми называются чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита, благодаря чему они имеют светло-кристаллический  излом. Структура белого чугуна соответствует диаграмме Fe-Fe₃C. 
        Кристаллизация доэвтектических белых чугунов начинается с выделением из жидкого раствора кристаллов аустенита, заэвтектических - с выделением первичного цементита. При температуре 1147°С белые чугуны претерпевают эвтектическое превращение. Оно заключается в образовании из жидкого раствора, содержащего 4,3 % С, эвтектической смеси, состоящей из кристаллов аустенита с концентрацией углерода 2,14% и кристаллов цементита, содержащих 6,67%С.  При дальнейшем понижении температуры уменьшается растворимость в аустените углерода, в результате чего последний выделяется в виде вторичного цементита. 
        Это выделение идет как из структурного свободного аустенита, так и из аустенита, входящего в состав эвтектики. Цементит, выделяющийся из структурно свободного аустенита (доэвтектический чугун), образует самостоятельную структурную составляющую; цементит же, выделяющийся из аустенита ледебурита, наслаивается на уже имеющийся в ледебурите частицы цементита и структурно не обнаруживается. 
        При температуре 727°С аустенит, концентрация которого становится равной 0,8 % С, претерпевает, как и в углеродистых сталях, эвтектоидное превращение, т.е. распадается с образованием эвтектоидной смеси - перлита. 
        Аустенит, входящий в ледебурит, также превращается в перлит, поэтому ледебурит при температурах выше 727°С представляет собой смесь аустенита с цементитом, а ниже этой температуры - перлит с цементитом. 
        Таким образом, структура доэвтектического белого чугуна при комнатной температуре состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита Ледебурит под микроскопом наблюдается в виде светлых цементитных полей с равномерно расположенными на них темными перлитными участками. Перлит образует темные зерна; вторичный же цементит частично имеет вид светлых выделений по границам перлитных зерен, а частично сливаются с цементитом ледебурита. 
        Эвтектический белый чугун имеет в своей структуре один ледебурит. Структура заэвтектического белого чугуна состоит из ледебурита и крупных плоских кристаллов первичного цементита, выделившихся из жидкого раствора. Вследствие большого количества в белых чугунах цементита они очень тверды и хрупки и для изготовления деталей машин практически не используются. 
        Находит применение так называемый отбеленный чугун с тонким слоем белого чугуна на поверхности. Такой чугун обладает высокой поверхностной твердостью и износостойкостью; используется для изготовления трущихся изделий (прокатных валков, лемехов плугов, шаров мельниц и т.п.). 
        Серыми называется чугун, не содержащие ледебурита, в них весь углерод (или часть его) присутствует в свободном равновесном состоянии ( в виде графита). Благодаря графиту излом чугуна принимает серый цвет. Графит в сером чугуне имеет пластинчатую форму. Являясь неметаллической составляющей, он хорошо виден на полированной поверхности, поэтому оценка отливок серого чугуна по графитовым включениям производится в образцах, не подвергающих травлению. 
Большое влияние на процесс графитизации оказывает также химический состав чугуна. Элементами, способствующими графитизации, являются C, Si, Ni, Cu и др. К отбеливающим, т.е. препятствующим этому процессу, относятся Mn, S, Cr, W и др.   

     Практически наиболее важными элементами, всегда входящими в состав чугунов, являются кремний и марганец. Изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном содержании марганца, получают различное количество углерода в свободном виде, т.е. различную степень графитизации.        

Фактором, обуславливающим получение серого чугуна при кристаллизации, т.е. способствующим графитизации - выделению углерода в равновесном состоянии, является прежде всего малая скорость охлаждения. Уменьшение по той или иной причине скорости охлаждения (изменение материала формы, увеличение толщины стенки отливки) способствует большей степени графитизации, т.е. выделение большей части углерода в форме графита.         Степень графитизации определяет структуру металлической основы серого чугуна. В зависимости от того, какая часть углерода содержится в чугуне в связанном состоянии, различают чугуны с ферритной, феррито-перлитной и перлитной основами.  
        Следовательно, серый чугун может иметь структуру:

1. феррит + графит; углерода в связанном состоянии практически нет, он весь выделяется в виде графита;
2. феррит + перлит + графит; структура основы аналогична структуре доэвтектоидной стали, следовательно, в таком чугуне количество связанного углерода отвечает доэвтектоидной концентрации;
3. перлит + графит; количество связанного углерода соответствует эвтектоидной концентрации;

        Влияние скорости охлаждения и содержание углерода и  кремния на степень графитизации чугунов иллюстрируется структурными диаграммами. Основным структурным фактором, влияющим на механические свойства серого чугуна, является характер графитовых включений. 
        Графит обладает ничтожно низкими механическими свойствами и располагаясь в виде пластин в металлической основе, разобщает ее, подобно пустотам, оказывает сильное ослабляющее действие на металл. Графитовые пластины являются концентраторами напряжений, по их концам при растяжении образуются очаги разрушения.        

Серый чугун характеризуется низким сопротивлением отрыву, почти полным отсутствием  относительного удлинения (до 0,5%), весьма низкой ударной вязкостью. Поэтому  чем мельче графитовые пластины и  чем больше они изолированы друг от друга, тем выше прочностные свойства чугунов при одной и той  же металлической основе. Такая более  благоприятная структура получается модифицированием, т.е. введением в  жидкий сплав небольших количеств  веществ, называемых модификаторами (ферросилиций, силикокальций). 
        В структуре чугунов встречается также структурная составляющая, называемая фосфидной эвтектикой. Она образуется вследствие присутствия в чугуне фосфора. Фосфидная эвтектика улучшает жидко текучесть чугуна; будучи очень твердой составляющей, она так же повышает его твердость и износостойкость. Однако при значительном количестве в структуре чугуна фосфидной эвтектики увеличивается его хрупкость и затрудняется обработка резанием. 
        Серый чугун является одним из важнейших литейных машиностроительных материалов, так как он характеризуется высокими литейными и удовлетворительными механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью, высокой износостойкостью, нечувствительностью к концентраторам напряжений и одновременно низкой стоимостью. 
        Маркировка этих чугунов осуществляется по следующему принципу. Серые чугуны (в числе модифицированные) - пишутся две буквы СЧ и затем указывается предел прочности при растяжении и изгибе (например, СЧ 18-36, здесь 18 -sВ кгс/мм2, 36 - sИЗГ кгс/мм2 ).