Металловедение
.pdf111
Г л а в а VI
СТРОЕНИЕ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ
§1. Железо и его соединения с углеродом
Кжелезоуглеродистым 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/мм2)
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-
чествахдо 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 НВ160200, 6 - 4050%.
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 - Fe2C)
Диаграмма состояния Fe -Fe3C (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
A1, 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 Ac1 (727° С) превращений нет, и сталь имеет структуру перлит +
феррит. При Ac1 (727° С) происходит превращение перлита в аустенит и обра-
зуется структура аустенит + феррит. От Ac1 до Асз феррит превращается в ау-
стенит. При Ас1 сталь имеет структуру аустенита. От Ас1 до tc (температуры солидуса) сталь находится в твердом состоянии и имеет структуру аустенита.
При температуре солидуса начинается плавление аустенита.
От температуры солидуса tl 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 tl 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. Пр и 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