лекцияДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ. Учебное пособие сокол ан ст преподаватель 2
 Скачать 2.22 Mb.
|
2.3. Превращения в белых чугунах Перейдем теперь к рассмотрению превращений в чугунах (рис. 8). Повторимся, что границей для такого деления является 2,14 % Сточка. Сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, относятся к сталям, более 2,14 % – к чугунам. Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо 5 4 2 1 700 900 1100 1300 1500 T, С о С, % D 727 о 0,8 2,14 4,3 Fe Fe C 3 L γ α о 8 a b n p l k m d γ + L γ + Fe C 3 α + Fe C 3 L+ Fe Рис. 8. Фазовые превращения в чугунах по диаграмме состояния е – Fe 3 C Сплав 7 (3,0 % СВ этом доэвтектическом белом чугуне кристаллизация начнется в точке ас выделения аустенита и закончится в точке b. При подходе к точке b сплав состоит из аустенита предельного насыщения (точки Е) и жидкой фазы эвтектического состава (точки С L = EC Eb ·100 % = 14 , 2 3 , 4 14 , 2 3 − − ·100 % = 39,8 %; γ = С % = 14 , 2 3 , 4 3 3 , 4 − − ·100 % = 60,2 %. На линии Е жидкая фаза (L с )испытывает эвтектическое превращение L C → γ E + Fe 3 C. Полученная эвтектическая смесь (Е + Fе 3 С) имеет характерное строение и называется ледебуритом (по имени немецкого ученого Ледебура). Таким образом, по окончании первичной кристаллизации (немного ниже точки b) структурные 3 С), а фазовые составляющие сплава – аустенит и цементит γ = FE Fb ·100 % = 14 , 2 67 , 6 3 67 , 6 − − ·100 % = 81 %; Fе 3 С = FE Eb ·100 % = 14 , 2 67 , 6 14 , 2 3 − − ·100 % = 19 %. Общее количество аустенита в сплаве приданной температуре 81 %, из них первичных зерен аустенита, выделившегося из расплава 60,2 %, соответственно в ледебурите содержится 81 %-60,2 %=20,8 % аустенита ив результате получаем 60,2 % γ + (20,8 % γ +19 % Fе 3 С). Поскольку аустенит имеет максимальное содержание углерода (2,14 %), при последующем охлаждении сплава из аустенита непрерывно выделяется вторичный цементит. Количество аустенита уменьшается, а количество цементита увеличивается. С понижением температуры концентрация углерода в аустените уменьшается согласно ходу линии Е. При подходе к линии РSК точка n) сплав состоит из аустенита (точка S, рис. 8) – (γ S ) и Fе 3 С (фазовый состав. Тогда γ = SK nK ·100 % = 8 , 0 67 , 6 3 67 , 6 − − ·100 % = 62,5 %; Fе 3 С = SK Sn ·100 % = 8 , 0 67 , 6 8 , 0 3 − − ·100 % = 37,5 %. Структурные составляющие – аустенит, вторичный цементит и ледебурит. За счет выделения вторичного цементита общее количество цементитной фазы увеличилось на 18,5 %. Общее выражение принимает вид 46,5 % γ I + 18,5 % (Fe 3 C) II + (16 % γ + 19 % Fe 3 C) ледебурит На линии PSK (в точке п в сплаве происходит эвтектоидное превращение с образованием перлита γ S → α P + Fe 3 C. α = PK nK ·100 % = 02 , 0 67 , 6 3 67 , 6 − − ·100 % = 55,2 %; Fе 3 С = PK nP ·100 % = 02 , 0 67 , 6 02 , 0 3 − − ·100 % = 44,8 %. Важно понимать, что перлитное превращение испытали зерна аустенита, выделившегося из жидкой фазы (от а до b), а также зерна аустенита, входившего в эвтектическую смесь (ледебурит. Поэтому структурные составляющие доэвтектического белого чугуна будут представлены так перлит + вторичный цементит + превращенный ледебурит. Фазовыми составляющими сплавав точке р) будут феррит и цементит, как ив сталях, но только в других количественных соотношениях. Общее количество цементита увеличилось на 44,8 % - 37,5 % = 7,3 % – это цементит из перлита, те 44, 8% Fe 3 C = 19 % (ледебурит + 18,5 % (Fe 3 C) II + 7,3 % (Fe 3 C) перлит При комнатной температуре (41,1 % α+5,4 % перл. +((14,1 % α+1,9 % перл+ + 19 % Fe 3 C) превр.ледеб. + 18,5 % Структура белого доэвтектического чугуна представлена на рис. 9. В этом сплаве первым кристаллизовался из жидкой фазы аустенит, бывшие зерна которого (темного цвета) видны на фоне эвтектики (ледебурит. Здесь важно понимать, что как первичный аустенит, выделившийся из жидкой фазы, таки участки аустенита, входящего в ледебурит, претерпели при своем охлаждении процессы дальнейших превращений. Следовательно, из аустенита выделялся вторичный цементит, который чаще всего присоединяется к ледебуритному, и наконец, зерна первичного аустенита и аустенит из ледебурита превратились в перлит. Эвтектический белый чугун (4,3 % Сна линии ECF кристаллизуется сразу с образование ледебурита L C → γ E + Fe 3 C. γ S → α P + Fe 3 C. При комнатной температуре фазовые составляющие – феррит и цементит, структурные составляющие – превращенный ледебурит, вторичный цементит и перлит. Типичная структура белого эвтектического чугуна приведена на рис. 10. Рис. 10. Микроструктура белого эвтектического чугуна Сплав 8 (5,5 % С. Чугун с 5,5 % С является заэвтектическим. Его кристаллизация начнется на линии ликвидуса Св точке l с выделения цементита, называемого первичным.Выделение цементита продолжается до точки k, и жидкая фаза, обедняясь углеродом, становится по составу соответствующей L = CF kF ·100 % = 3 , 4 67 , 6 5 , 5 67 , 6 − − ·100 % = 49,4 %; Fe 3 C= CF Ck ·100 % = 3 , 4 67 , 6 3 , 4 5 , 5 − − ·100 % = 50,6 %. На линии ЕСF происходит образование ледебурита по известной реакции L C → γ E + Fe 3 C. Ниже точки k сплав состоит из двух фаз – γ Е и Fе 3 С: γ = FE kF ·100 % = 14 , 2 67 , 6 5 , 5 67 , 6 − − ·100 % = 25,8 %; Fe 3 C= EF Ek ·100 % = 14 , 2 67 , 6 14 , 2 5 , 5 − − ·100 % = 74,2 %. Таким образом, получаем 50,6 % Fе 3 С I +(25,8 % α+ 23,6 % Fе 3 С) ледебурит Структурные составляющие – первичный цементит и ледебурит. Вся аустенитная фаза сплава является составляющей ледебурита. При понижении температуры аустенит, обедняясь углеродом, выделяет вторичный цементит по линии ES. Перед линией РSК: γ = SK mK ·100 % = 8 , 0 67 , 6 5 , 5 67 , 6 − − ·100 % = 19,9 %; Fe 3 C= SK Sm ·100 % = 8 , 0 67 , 6 8 , 0 5 , 5 − − ·100 % = 80,1 %. Общее выражение 50,6 % Fе 3 С I +5,9 % Fе 3 С II +(19,9 % γ+ 23,6 % Fе 3 С) ледебурит Структурные составляющие – первичный и вторичные цементит и ледебурит. Наконец, на линии РSК в точке m) аустенит превращается в перлит. γ S → α P + Fe 3 C. После перлитного превращения α = PK mK ·100 % = 02 , 0 67 , 6 5 , 5 67 , 6 − − ·100 % = 17,6 %, 19,9% γ – 17,6% α=2,3% Fе 3 С. 50,6 % Fе 3 С I +5,9 % Fе 3 С II +((17,6 % α+2,3 % Fе 3 С) перлит + 23,6 % Fе 3 С) ледебурит Таким образом, структурные составляющие заэвтектического чугуна представлены как цементит первичный, вторичный, превращенный ледебурит и перлит. Фазовыми же составляющими сплава будут (в точке d ) те же феррит и цементит. Типичная структура белого заэвтектического белого чугуна представлена на рис. 11. Основное поле ледебурита пронизывают крупные, прямолинейные выделения первичного цементита, выделившегося из жидкой фазы. Рис. 11. Микроструктура белого заэвтектического чугуна Характеризуя структурные составляющие доэвтектического и заэвтектического чугунов, эвтектику, имеющуюся в них, можно называть просто ледебуритом без слова превращенный, учитывая большое структурное сходство истинного и превращенного ледебурита. Нужно иметь ввиду, что в состав истинного ледебурита в момент его образования входит аустенит, максимально насыщенный углеродом, при комнатной температуре аустенит оказывается превратившимся в перлит. Выше рассмотрены фазовые превращения, фазовые и структурные составляющие всех сплавов по диаграмме состояния системы железо – цементит. Оказалось, что стали и чугуны при комнатной температуре после всех 3. СИСТЕМА ЖЕЛЕЗО – ГРАФИТ (Fe – гр) Рассмотрим теперь диаграмму состояния системы железо - графит (рис. 12). На рис. 1 была показана диаграмма железо – углерод в двойном варианте со сплошными и пунктирными линиями. Рис. 12 дает представление о том, какие линии образуют диаграмму состояния системы железо – графит. Необходимо отметить, что фазовые превращения при наличии графита происходят при более высоких температурах, чем аналогичные им превращения при наличии цементита (пунктирные линии диаграммы находятся выше соответствующих сплошных. Критические точки СЕ' отвечают меньшему содержанию углерода, чем аналогичные точки СЕ цементитной диаграммы точки СЕ' сдвинуты влево. Это объясняется большей стабильностью графита по сравнению с цементитом. Фазы, формирующиеся в различных сплавах, указаны в соответствующих областях диаграммы (рис. 12). Во всех случаях, когда в цементитной диаграмме была фаза Fе 3 С, она везде заменена на фазу графит, С гр 4 2 1 700 900 1100 1300 1500 T, С о С, % D 738 о 1153 о 0,7 2,11 4,26 Fe C L γ α δ 3 γ γ α L + Сгр + Сгр + Сгр Рис. 12. Диаграмма состояния системы железо – графит Данные о новом положении некоторых точек приведены в табл. 3, а значения пунктирных линий – в табл. 4. Таблица 3 Узловые точки диаграммы состояния системы е - С гр Точка Температура, С Концентрация углерода, Значение точки С 1153 4,26 Жидкая фаза, испытывающая эвтектическое превращение' 3500 100 Плавление (кристаллизация) графита Е 1153 2,11 Аустенит, предельно насыщенный углеродом S' 738 0,7 Аустенит, испытывающий эвтектоидное превращение + L гр Линия Значение линии СЕ' СЕ Ликвидус для графита (первичного) Эвтектическое превращение СЕ+ С гр ) Линия предельной растворимости углерода в е, находящемся в равновесии с графитом. Начало выделения графита (вторичного) из аустенита при охлаждении Эвтектоидное превращение γ S' → ( γ P' + С гр ) Линия предельной растворимости углерода в е, находящемся в равновесии с графитом. Начало выделения графита (третичного) из феррита при охлаждении Характер превращений при охлаждении сплавов системы гр остается таким же, как и при охлаждении сплавов системы Fe-Fe 3 C. Далее будут рассмотрены условия, способствующие кристаллизации железоуглеродистых сплавов по диаграмме системы железо – цементит или железо – графит. 3.1. Чугуны Чугунами называют высокоуглеродистые сплавы, в которых при охлаждении происходит эвтектическое превращение. Если судить по диаграмме состояния чистых двойных сплавов железа с углеродом, ток чугунам должны быть отнесены сплавы, содержащие более 2,14 % углерода (правее точек Е и Е 1 ). Наиболее широкое распространение получили чугуны с содержанием углерода 2,4…3,8 %. Чем выше содержание углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства, следовательно, количество углерода не должно превышать 3,8 %. В тоже время для обеспечения высоких литейных свойств хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не менее 2,4 %. • белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск • серый чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8 % углерода. Из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет • половинчатый – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, ноне менее 2 % углерода находится в форме цементита. Мало используется в технике. Белый чугун обычно идет в переплавку на сталь. Намного чаще в машиностроении применяются чугуны, в которых весь углерод или большая его часть оказываются в свободном состоянии, те. в виде графита. Не все изделия машиностроительной промышленности должны иметь механические свойства, которые может обеспечить только сталь. Применение чугуна нецелесообразно для изготовления деталей, несущих значительные растягивающие и ударные нагрузки в других случаях чугунные отливки проявили себя как достаточно надежный конструкционный материал. Чугуны с графитом обладают рядом специфических положительных свойств • чугун имеет сравнительно низкую температуру плавления • очень хорошие литейные свойства, обладает малой усадкой • графит улучшает обрабатываемость резанием, так как образуется ломкая стружка • чугун имеет лучшие антифрикционные свойства по сравнению со сталью, потому что графит впитывает смазку и сам играет роль смазки в Рис. 13. Основные формы выделения графита в чугунах а – пластинчатый в сером чугуне б - шаровидный в высокопрочном чугуне г – хлопьевидный в ковком чугуне Графитные выделения в перечисленных чугунах бывают окружены различной по структуре металлической основой, которую иногда называют матрицей. Она может быть ферритной (риса, перлитной (рис. 14, били феррито-перлитной (рис. 14, в. 3.2. Процесс графитизации Процесс образования графита в сплавах железа с углеродом называется графитизацией Графит – это полиморфная модификация углерода. Так как графит содержит 100 углерода, а цементит – 6,67 %, то жидкая фаза и аустенит по составу более близки к цементиту, чем к графиту. Следовательно, образование цементита из жидкой фазы и аустенита должно протекать легче, чем графита. 2. При разложении ранее образовавшегося цементита. При температурах выше С цементит разлагается на смесь аустенита и графита по схеме Fe 3 C → 3Fe γ + C (графит) При температурах ниже 738 С разложение цементита осуществляется по схеме Fe 3 C → 3Fe α + C (графит) При малых скоростях охлаждения степень разложения цементита больше. Графитизацию из жидкой фазы, а также от распада цементита первичного и цементита, входящего в состав эвтектики, называют первичной стадией графитизации. Выделение вторичного графита из аустенита называют промежуточной стадией графитизации Образование эвтектоидного графита, а также графита, образовавшегося в результате распада цементита, входящего в состав перлита, называют вторичной стадией графитизации Структура чугунов зависит от степени графитизации, те. оттого, сколько углерода находится в связанном состоянии. 0,08…0,12 %. Фосфор на процесс графитизации не влияет, но улучшает –0,3…0,8 Модифицирование чугуна (например, ферросилицием в смеси с алюминием) облегчает кристаллизацию графита и измельчает его выделения, в результате чего улучшается структура отливки. Таким образом, в зависимости от химического состава и скорости охлаждения чугуна при кристаллизации удается получить в отливках желаемую структуру, а следовательно, необходимые механические и другие свойства. Рассмотрим теперь некоторые особенности структуры и свойств различных чугунов. |