Ледебурит

Заэвтектический чугун

В заэвтектических чугунах происходят превращения, рассмотренные выше, так как первичный цементит не имеет превращений.
 

В заэвтектических чугунах пластины первичного цементита играют роль подкладки, на которой начинается эвтектическая кристаллизация.
 

При затвердевании заэвтектических чугунов эвтектическому превращению предшествует выделение первичного цементита.
 

Кривая охлаждения заэвтектического чугуна, со-держашего 5 % С ( Ks), показана на фиг.
 

Превращения в заэвтектическом чугуне, содержащем более 4 3 % С, начинаются при температурах линии ликвидус с выделения кристаллов цементита. Концентрация углерода в жидкости снижается с понижением температуры по линии CD. Затвердевает сплав с образованием ледебурита. Заэвтекти-ческие чугуны не имеют свободных выделений углерода в виде графита, так как весь углерод связан в перлите и цементите, и отличаются высокой твердостью.
 

Для проверки этого предположения заэвтектический чугун, содержащий 3 7 % С, 2 5 % S, 0 003 % 5ИСХ, выплавляли в магнезитовом тигле в индукционной печи МВП-ЗМ; после перегрева до 1500 С его модифицировали металлическим церием при 1460 С. Охлажденный до 1180 С расплав выливали в воду. Микроанализ дробинок 0 4 — 6 мм выявил шаровидные включения избыточного графита, окруженные тонким ледебуритом, в который превращалась при закалке жидкая фаза.
 

Образование первичного графита в заэвтектическом чугуне или графита во время эвтектического превращения, а также образование графита за счет распада первичного или эвтектического цементита называется первой стадией графитизации.
 

Линия эвтектических составов СС разграничивает области доэвтектических и заэвтектических чугунов.
 

Аналогичные превращения аустенита эвтектики происходят в заэвтектических чугунах; структура таких чугунов ниже 723е С состоит из первичного цементита и ледебурита.
 

Аналогичные превращения аустенита эвтектики происходят в заэвтектических чугунах; структура таких чугунов ниже 723 С состоит из первичного цементита и ледебурита.
 

В зоне VII диаграммы ( рис. 7) структура заэвтектических чугунов состоит из ледебурита и первичного цементита. При температуре, соответствующей линии PSK, аустенит распадается, образуя перлит. Как указывалось выше, под влиянием некоторых факторов ( малая скорость затвердевания, содержание дополнительных компонентов, главным образом кремния) вместо цементита может образовываться графит. Чугуны без графита ( с ледебуритом) называются белыми, с ледебуритом и графитом — половинчатыми и без ледебурита ( с графитом) — серыми.
 

В зоне VII диаграммы ( см. рис. 6 6) структура заэвтектических чугунов состоит из ледебурита и первичного цементита. При температуре, соответствующей линии PSK, аустенит распадается, образуя перлит. Как указывалось выше, под влиянием некоторых факторов ( малая скорость затвердевания, содержание дополнительных компонентов, главным образом кремния) вместо цементита может образовываться графит. Чугуны без графита ( с ледебуритом) называются белыми, с ледебуритом и графитом — половинчатыми и без ледебурита ( с графитом) — серыми.
 

Структура и свойства

Основная фаза, инициирующая зарождение ледебурита — цементит. На пластинке цементита, зародившейся в эвтектической жидкости, разрастается плоский дендрит аустенита. Далее идет сравнительно быстрый парный рост взаимно проросших кристаллов обеих фаз. Каждая из фаз в пределах одной колонии ледебурита непрерывна, то есть относится к одному кристаллу.

В зависимости от температуры, фазовый состав ледебурита может быть разным. Так в температурном интервале от 1147 °C до 727 °C ледебурит состоит из аустенита и цементита, а при температурах ниже 727 °C — из феррита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Структура мартенсита

Основным отличием, которое приводит к изменению физических и механических характеристик стали является изменение внутренней структуры. Её называют мартенситная структура. В этом случае кристаллическая решётка претерпевает следующие изменения. Под воздействием внешних факторов происходит изменение направления движения атомов по сравнению с их стандартным, упорядоченным движением в рамках установленной решётки. Увеличиваются межатомные расстояния, что приводит к возникновению деформации, примерно на 10% относительно нормальных размеров. Величина изменений не приводит к переходу через энергетический барьер межатомных связей. Такой кристаллический эффект приводит к образованию специфической формы взаимных связей. Она носит так называемый игольчатый характер.

Изменения структуры стали происходит в процессе нагрева. Повышение температуры вызывает диффузионное перераспределение атомов углерода в рамках кристаллической решётки. Этот процесс вызывает образование нескольких фаз металла.

1. При повышении содержания углерода до 6,7% возникает материал называемый цементит. Он имеет решётку в форме ромба.
2. При низком содержании углерода (не более 0,02%) формируется феррит. Его решётка приобретает объёмно-центрированную форму.
3. Аустенит. Структура железоуглеродистых сплавов, представляющих смесь углерода в количестве около 2% различных легирующих добавок. Кристаллическая решётка этого материала имеет форму куба со строго центрированными гранями. Отличительной особенностью аустенита является его высокая плотность по сравнению с другими структурами стали. Он образуется при температуре нагрева от 910 до 1401 °С и сохраняет свою устойчивость до температуры 723 °С. При дальнейшем охлаждении превращается в другие более устойчивые структуры. При добавлении никеля, марганца или хрома аустенит сохраняет свою структуру вплоть до комнатной температуры. К сталям, имеющим аустенитную структуру, относятся почти все хромоникелевые стали.
4. Перлит является механической смесью цементита и феррита. В этой смеси присутствие углерода составляет 0,8%. Он образуется из аустенита в процессе охлаждения. Он является эвтектоидом и может обладать пластичной или зернистой структурой. От этого состояния зависят его физические и особенно механические свойства.
5. При повышении содержания углерода до 4,3% из смеси аустенита и цементита образуется материал, называемый ледебурит. Его формирование происходит при температуре расплава в 1147 °С.
6. Мартенсит – это перенасыщенный раствор железа и углерода. Его обычно получают при закалке аустенита. В результате температурного воздействия мартенситный материал приобретает из кубической тетрагональную решётку, которая придаёт ему твердость до 1000 HV.

В результате обработки полученная мартенситная сталь приобретает игольчатую структуру, которая формирует более высокие прочностные характеристики, становится устойчивее к воздействию коррозии

Структура и свойства

Основная фаза, инициирующая зарождение ледебурита — цементит. На пластинке цементита, зародившейся в эвтектической жидкости, разрастается плоский дендрит аустенита. Далее идет сравнительно быстрый парный рост взаимно проросших кристаллов обеих фаз. Каждая из фаз в пределах одной колонии ледебурита непрерывна, то есть относится к одному кристаллу.

В зависимости от температуры, фазовый состав ледебурита может быть разным. Так в температурном интервале от 1147 °C до 727 °C ледебурит состоит из аустенита и цементита, а при температурах ниже 727 °C — из феррита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Степень — эвтектичность — чугун

Степень эвтектичности чугуна определяется долей эвтектики в его структуре. В случае чистых железоуглеродистых сплавов она вычисляется по правилу рычага на коноде ЕС ( или Е С) эвтектического превращения ( фиг.
 

Степень эвтектичности чугуна определяется долей эвтектики в его структуре.
 

Прямые линии Са на диаграмме показывают степень эвтектичности чугуна с учетом углеродного эквивалента. Если эта величина равна 4 25, то чугун эвтектический; если она меньше 4 25, то чугун доэвтектпческий.
 

На диаграммах отражено влияние кремния на степень эвтектичности чугуна: по мере увеличения его содержания снижается ликвидус ТБ и сужается двухфазная область Ж — — А.
 

Выше также было показано, что содержание и структура графитной фазы в чугуне связаны со степенью эвтектичности чугуна, что подтверждается анализом диаграмм Гиршовича — Иоффе. Поэтому в основу конодной диаграммы было также положено семейство линий — изоэвтектик, представляющих собой геометрическое место фигуративных точек чугуна с одинаковой степенью эвтектичности и делящих коноды на пропорциональные отрезки.
 

В диаграмме Колло и номограмме Кола отражена зависимость предела прочности при растяжении, твердости и модуля упругости от степени эвтектичности чугуна.
 

Из общего количества газов в чугуне содержание водорода составляет 50 — 65 %, оно снижается с увеличением степени эвтектичности чугуна. Количество водорода, выделившегося при хранении, составляет около 80 % от общего его содержания.
 

Сопоставление кинетических диаграмм кристаллизации хромистых чугунов близ эвтектического состава ( рис. 64) показывает, что увеличение содержания хрома не оказывает заметного влияния яа относительное положение линии появления аустенита БЗ, следовательно, хром незначительно влияет на степень эвтектичности чугуна. Температурный интервал выделения графита уменьшается и при концентрациях 1 92 % Сг — графит из расплава не выделяется. Сдвиг линии ОФ вправо свидетельствует о том, что с ростом содержания хрома выделение графита затрудняется. Уместно сопоставить с этим влияние марганца ( см. рис. 58), увеличение содержания которого в чугуне не приводит к расширению инкубационного периода появления графита в жидкости.
 

При затвердевании доэвтектических чугунов вначале кристаллизуется избыточный аустенит. Как и в сером до-эвтектическом чугуне, он растет в виде трехмерных денд-ритов. Их количество, величина и разветвленность определяются степенью эвтектичности чугуна и условиями охлаждения. Затем происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита в ходе эвтектического распада жидкого раствора.
 

Образование шаровидного графита в высококремнистых чугунах происходит лишь в условиях, обеспечивающих значительное переохлаждение расплава. В практике производства отливок большое значение имеет образование сильно разветвленного, в том числе междендритного графита при ускоренном затвердевании чугуна с повышенным содержанием кремния. В случае медленной кристаллизации чугуна, напротив, повышение содержания кремния приводит к образованию более грубого графита. Это является следствием повышения степени эвтектичности чугуна при добавке к нему кремния и обнаруживается прежде всего в малоуглеродистых чугунах.
 

Присутствие в железоуглеродистых сплавах

Чугуны

Ледебуритная смесь возникает, для чистых железоуглеродистых сплавов в интервале концентраций углерода от 2 ,14% до 6,67 %, что соответствует чугунам. Механизм образования ледебурита в доэвтектических (левее точки эвтектики, соответствующей 4,3 углерода, на диаграмме железо-углерод), эвтектических и заэвтектических (правее точки эвтэктики) чугунах различается.

в доэвтектических чугунах

При охлаждении жидкой фазы состава доэвтектического чугуна первым начинает кристаллизоваться аустенит, вследствие чего состав жидкой фазы начинает смещаться в сторону увеличения концентрации углерода (ввиду меньшей растворимости углерода в аустените). По достижении точки эвтектики (4,3 % углерода, 1147 °C) начинается кристаллизация эвтектики — ледебурита. В процессе дальнейшего охлаждения чугуна в интервале температур от 1147 °C до 727 °C аустенит обедняется углеродом и выделяется вторичный цементит. Вторичный цементит, выделяющийся по границам зерен аустенита, сливается с цементитом ледебурита, поэтому практически не виден под микроскопом. При небольшом переохлаждении ниже 727 °C аустенит по эвтектоидной реакции превращается в перлит (разделяется на феррит и цементит). Таким образом, в доэвтектических белых чугунах, при комнатной температуре, ледебурит, как структурная составляющая, присутствует наряду с перлитом и вторичным цементитом.

в эвтектическом чугуне

При охлаждении жидкой фазы состава точки эвтектики до температуры 1147 °C начинается одновременная кристаллизация смеси аустенита и цементита — ледебурита. В дальнейшем аустенит распадается на феррито-цементитную смесь (перлит).

в заэвтектических чугунах

В заэвтектических белых чугунах из жидкости кристаллизуется первичный цементит в виде плоских игл, затем образуется ледебурит. При комнатной температуре эаэвтектический белый чугун содержит две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит.

Ледебурит может образовываться в сталях если в них, во-первых, содержание углерода достаточно велико (свыше 0,7 % (~1,3 %—1,5 %), что соответствует инструментальным сталям), и, во-вторых, при высоком содержании карбидообразующих легирующих элементов (Cr, W, Ti, Mo и др.). Введение этих легирующих элементов, в больших количествах, уменьшает растворимость углерода в аустените и перлите, что, в определённых случаях, и приводит к возможности выделения эвтектики при, сравнительно, малых содержаниях углерода.
Такие стали (например, быстрорежущая) называют ледебуритными.

Структура и свойства

Основная фаза, инициирующая зарождение ледебурита — цементит. На пластинке цементита, зародившейся в эвтектической жидкости, разрастается плоский дендрит аустенита. Далее идет сравнительно быстрый парный рост взаимно проросших кристаллов обеих фаз. Каждая из фаз в пределах одной колонии ледебурита непрерывна, то есть относится к одному кристаллу.

В зависимости от температуры, фазовый состав ледебурита может быть разным. Так в температурном интервале от 1147 °C до 727 °C ледебурит состоит из аустенита и цементита, а при температурах ниже 727 °C — из феррита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Фазовая диаграмма Железо — Углерод.

Доэвтектический чугун

Графитовые образования ( 10 — 100 А), возникающие над линией ликвидуса в доэвтектических чугунах, обладают развитой поверхностью, а свойства такой системы ( жидкость дисперсные образования) зависят от свойств и размеров входящих в нее поверхностей раздела. Пинакоиды графита являются устойчивыми образованиями. Выдержка при 1700 С не устраняет полностью микронеоднородность расплава. Таким образом, микрогетерогенность расплавов чугуна имеет наследственное происхождение, связанное с неполным растворением углерода в процессе плавки. На основании экспериментальных данных можно предположить, что дисперсные выделения графита начинаются выше температуры ликвидуса.
 

Титан понижает температуру эвтектического превращения и способствует переохлаждению чугуна, при содержании до 0 5 % в доэвтектическом чугуне способствует графитизации и выделению графита в виде мелких пластин. Титан является хорошим раскислителем, способствует равномерному распределению в чугуне графита. Титан нейтрализует действие хрома в чугуне, являясь модификатором, вследствие чего отпадает необходимость в повышении содержания кремния. Титан способствует повышению механических свойств, особенно прочности высокоуглеродистых чугунов. При содержании 0 18 — 0 20 % титан с углеродом образуют карбиды и препятствуют графитизации. Титан используют как модификатор при производстве ковкого чугуна, но для отливок из высокопрочного чугуна Ti нежелательная примесь, так как препятствует образованию шаровидного графита.
 

В зависимости от концентрации углерода в сплаве чугуны разделяются на доэвтектические, эвтектиче: кие и заэвтектические: доэвтектические чугуны содержат 2 14 — 4 3 % С и имеют структуру перлит — Ь цементит; эвтектические чугуны содержат 4 3 % С и состоят из ледебурита; заэвтектический чугун содержит более 4 3 % С, имеет структуру ледебурит цементит.
 

Рассмотрим в соответствии с диаграммой состояния железо — углерод фазовые превращения, происходящие при охлаждении из жидкого состояния в доэвтектическом чугуне, содержащем 3 % С.
 

Такой же распавшийся аустенит наблюдается также и на избыточных ( темных) участках, содержащихся в большем или меньшем количестве в доэвтектических чугунах ( фиг.
 

Жидкотекучесть чугуна характеризует заполнение литейной формы и зависит главным образом от химического состава и температуры заливки С, Si, Р и Си повышают жидкотекучесть доэвтектического чугуна, a S и Сг понижают ее; влияние Мп и Ni на жидкотекучесть незначительно.
 

Точка С ( 4 3 % углерода) представляет собой эвтектическую точку и разделяет сплавы, содержащие от 2 до 6 67 % углерода ( чугуны), на две группы: сплавы, содержащие менее 4 3 % С, — доэвтектические чугуны, а сплавы, содержащие более 4 3 % С, — заэвтектические чугуны. Следует подчеркнуть, что в машиностроении практическое значение имеют доэвтектические и эвтектические чугуны, а заэвтектические чугуны не применяются.
 

Эвтектический состав чугунов с 30 — 35 % Сг приходится на — 2 5 % С. Доэвтектический чугун имеет структуру твердого раствора хромистого феррита и эвтектических карбидов, количество которых зависит от содержания углерода.
 

Твердая фаза в области, лежащей между линиями EGF и PSK с содержанием углерода более 2 14 %, соответствующая белым чугунам, имеет различный состав. Доэвтектические чугуны ( 2 14 — 4 3 % углерода) состоят из аустенита и ледебурита, эв тектические ( 4 3 %) из ледебурита и заэвтектические ( 4 3 — 6 67 %) из цементита и ледебурита. При этом, в отличие от сталей, температура плавления чугунов ( линия EGF) постоянна и не зависит от содержания в них углерода.
 

Чугуны по структурным свойствам подразделяют на доэвтек-тические и заэвтектические относительно эвтектического состава 4 3 % С. Доэвтектические чугуны имеют перлитно-ледебуритную структуру, а заэвтектические — цементитно-ледебуритную.
 

Во всех чугунах имеется аустенит. В доэвтектических чугунах имеется свободный аустенит ( см. сплав / — /, фиг.
 

Наконец, в доэвтектических чугунах первичные выделения аустенита меняют свою концентрацию при охлаждении от точки 3 до точки 4 ( сплав / CJ от 2 до 0 8 % С, и в точке 4 происходит перлитное превращение. Структура такого доэвтектического чугуна состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита. Структура доэвтектического чугуна показана на фиг.
 

Наконец, в доэвтектических чугунах первичные выделения аусте-нита меняют свою концентрацию при охлаждении от точки 3 до точки 4 ( сплав KJ) от 2 14 до 0 8 % С, и в точке 4 происходит перлитное превращение. Структура такого доэвтектического чугуна состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита.
 

Структура и свойства

Основная фаза, инициирующая зарождение ледебурита — цементит. На пластинке цементита, зародившейся в эвтектической жидкости, разрастается плоский дендрит аустенита. Далее идет сравнительно быстрый парный рост взаимно проросших кристаллов обеих фаз. Каждая из фаз в пределах одной колонии ледебурита непрерывна, то есть относится к одному кристаллу.

В зависимости от температуры, фазовый состав ледебурита может быть разным. Так в температурном интервале от 1147 °C до 727 °C ледебурит состоит из аустенита и цементита, а при температурах ниже 727 °C — из феррита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Структура и свойства

Основная фаза, инициирующая зарождение ледебурита — цементит. На пластинке цементита, зародившейся в эвтектической жидкости, разрастается плоский дендрит аустенита. Далее идет сравнительно быстрый парный рост взаимно проросших кристаллов обеих фаз. Каждая из фаз в пределах одной колонии ледебурита непрерывна, то есть относится к одному кристаллу.

В зависимости от температуры, фазовый состав ледебурита может быть разным. Так в температурном интервале от 1147 °C до 727 °C ледебурит состоит из аустенита и цементита, а при температурах ниже 727 °C — из феррита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Эвтектичность

Эвтектичность является важной характеристикой сплава Fe-С — Si, так как определяет температуру плавления, жидкотекучесть и выделение графита при затвердевании.
 

Степень эвтектичности чугуна определяется долей эвтектики в его структуре. В случае чистых железоуглеродистых сплавов она вычисляется по правилу рычага на коноде ЕС ( или Е С) эвтектического превращения ( фиг.
 

Степень эвтектичности чугуна определяется долей эвтектики в его структуре.
 

Подсчет степени эвтектичности этих чугунов показывает, что она близка к единице. В толстостенном литье, где содержание фосфора более низкое, чем в тонкостенном, величина 5Э немного меньше. Следовательно, можно сказать, что большая часть чугунов, рекомендуемых для эмалирования, относится к эвтектическому типу.
 

При увеличении эвтектичности обычного чугуна количество и форма выделяющегося при охлаждении графита изменяются. Вследствие этого изменяется состав аустенита, а концентрация углерода в нем становится менее равномерной, чем в синтетическом чугуне. Неоднородность аустенита по углероду и кремнию усиливается также и вследствие затруднения диффузии углерода. Поэтому в обычных чугунах наблюдается некоторая неоднородность перлитной основы чугуна. В немодифицированном синтетическом чугуне, в котором выделение и образование графитной составляющей из-за отсутствия достаточного количества зародышей сильно задерживается во времени по сравнению с выделением и ростом первичного аустенита, структура перлитной матрицы однородна. Понижение температуры превращения аустенита, а также повышение концентрации марганца, хрома и других элементов, увеличивающих устойчивость переохлажденного аустенита, вызывает повышение дисперсности перлита. С увеличением содержания углерода и повышением степени эвтектичности устойчивость аустенита снижается.
 

С уменьшением степени эвтектичности отдельные прочностные свойства немодифицированных чугунов возрастают неравномерно. Так, например, предел прочности при изгибе увеличивается значительно быстрее, чем предел прочности при растяжении, особенно у синтетического чугуна, полученного из стальной стружки. Сильное снижение прочности при изгибе в случае увеличения степени эвтектичности наблюдается у обычного чугуна, выплавленного на основе чугунной стружки.
 

При определении степени эвтектичности необходимо опуститься по шкале 5с на два деления, так как предполагается, что чугун содержит 0 4 % фосфора.
 

Даже при малой степени эвтектичности белый чугун хрупок. Легирование его хромом приводит к повышению характеристик прочности и пластичности, но лишь начиная с того момента, когда ледебурит заменяется хромистокарбидной эвтектикой с пластичной матрицей. Резкое изменение свойств можно наблюдать при легировании белого чугуна ванадием, так как колонии эвтектики у V4C3 состоят из пластичной основы, армированной высокотвердым карбидом.
 

В сплаве Fe-С — Si эвтектичность как характеристика, связанная с линией ликвидуса, определяет температуру плавления шва, жидкотекучесть и выделение графита при затвердевании. В результате понижения температуры расплава уменьшается степень образования карбидов, что способствует выделению свободного графита.
 

Принятая прямолинейная зависимость прочностных характеристик от степени эвтектичности оказалась достаточно правомерной. Во всех случаях критерий надежности ( л коэффициента корреляции у достаточно высок. Наименее зависит от степени эвтектичности величина стрелы прогиба и отношение прочности чугуна при изгибе и растяжении, что естественно, так как степень эвтектичности в большей мере характеризует графитную составляющую, а не металлическую матрицу.
 

Прямые линии Са на диаграмме показывают степень эвтектичности чугуна с учетом углеродного эквивалента. Если эта величина равна 4 25, то чугун эвтектический; если она меньше 4 25, то чугун доэвтектпческий.
 

На диаграммах отражено влияние кремния на степень эвтектичности чугуна: по мере увеличения его содержания снижается ликвидус ТБ и сужается двухфазная область Ж — — А.