Структура и фазовый состав чугунов

Практическое занятие № 3

1. Цель работы.

1 Закрепить знания о фазах и структурных составляющих диаграммы железо – углерод (свыше 2,06%С).

1. Ознакомиться с особенностями фазового состава и структурного строения чугунов разных видов.

1. Введение.

Чугуну – железоуглеродистые сплавы, испытывающие эвтектическое превращение. При одном и том же содержании углерода в зависимости от условий охлаждения и наличия примесей чугун может быть белым, серым и половинчатым. Эта классификация основана на природе высокоуглеродистой фазы, выделяющейся при затвердевании; если из расплава выделяется цементит, то чугун называется белым, если графит – серым, если цементит и графит – половинчатым. Свое название белый и серый чугуны получили по цвету излома. Среди серых чугунов различают сплавы с шаровидным графитам – высокопрочные чугуны и сплавы с пластинчатым графитом – обычные серые чугуны. Еще один вид чугунов с графитом хлопьевидной формы получают путем отжига белых чугунов, такие чугуны называют ковкими.

Белые чугуны

Для анализа формирования микроструктуры белых чугунов используют диаграмму метастабильного равновесия Fe – Fe₃C/(рис.) По составу различают дэвтектические (от 2,06 до 4,3%С), эвтектические (-4,3%С), и заэвтектические (от 4,3 до 6,67%С) белые чугуны.

Эвтектическое превращение в белых чугунах описывается реакцией:

L_4,3 ↔ γ_2,06 + Fe₃C,

которая происходит при температуре 1147^о С. Эвтектическая структурная составляющая в белых чугунах, носит название ледебурит. Как и большинство других эвтектик, ледебурит состоит из колоний. При охлаждении после затвердевания аустенит ледебурита испытывает эвтектоидное превращение (при Т 727^о С), в результате чего образуется перлит. Эвтектика, тем не менее, сохраняет свое характерное строение и называется превращенным ледебуритом.

В доэвтектическом белом чугуне перед эвтектическим превращением из сплава выделяются дендритные кристаллы первичного аустенита. При охлаждении в твердом состоянии первичный аустенит изменяет свой состав в соответствии с линией ES диаграммы равновесия. Благодаря этому из первичного аустенита выделяется цементит вторичный. Эту структурную составляющую визуально выделить трудно, так как цементит вторичный сливается с цементитом ледебурита. Первичный аустенит, изменивший свой состав до точки S диаграммы равновесия, превращается в перлит. Поскольку перлит образуется в пределах дендритных кристаллов первичного аустенита, внешние контуры перлита повторяют очертания этих дендритов. Таким образом, структурные составляющие доэвтектоидного чугуна – это перлит, ледебурит превращенный и цементит вторичный (последний обнаруживается редко). В микроструктуре заэвтектического белого чугуна, помимо превращенного ледебурита, хорошо различимы пластины первичного цементита.

Относительное количество той или иной структурной составляющей в белом чугуне находят, пользуясь правилом рычага. Например, в доэвтектическом чугуне состава x масса ледебурита (превращенного), которая не изменилась после завершения эвтектической реакции, равна:

_{. =}

В том же чугуне массу перлита, образовавшегося из первичного аустенита, определяют по формуле:

Первый сомножитель в правой части данной формулы дает массовую долю аустенита первичного в рассматриваемом сплаве, а второй (его численное значение ≈ 0,78) – долю первичного аустенита превратившегося в перлит. Соответственно масса вторичного цементита, выделившегося из вторичного цементита:

.

Оценку состава белого чугуна по его микроструктуре проводят с помощью того же правила рычага. Предварительно необходимо определить долю объема, занятую перлитом (в доэвтектическом чугуне) V_п или цементитом первичным (в зэвтектическом чугуне) V_ц2 . Состав доэвтектического белого чугуна можно определить с помощью выше приведенной формулы для определения массы перлита, образовавшегося из первичного аустенита. Поскольку

= ,

содержание углерода составит:

.

Для доэвтектического белого чугуна содержание углерода:

Вследствие большого содержания цементита белые чугуны имеют высокую твердость и хрупкость. Поэтому в машиностроении они применения не находят (за исключением высоколегированных чугунов, в которых легирование карбидообразующими элементами изменяет структуру эвтектитки и понижает хрупкость материала). Из белого чугуна изготавливают мелкие отливки, которые подвергают отжигу для получения структуры ковкого чугуна.

Серые чугуны

Как правило, серые чугуны – это доэвтектические или эвтектические сплавы. Поэтому в чугунах с пластинчатым и шаровидным графитом последний выделяется из расплава в ходе эвтектической реакции. В результате фазовых превращений в твердом состоянии в этих чугунах в зависимости от их состава и условий охлаждения могут выделяться и графит и (или) цементит. В связи с этим для анализа структуры анализа структуры серых чугунов используют оба варианта диаграммы Fe – С: диаграмму стабильного равновесия и диаграмму метастабильного равновесия.

Эвтектическое превращение в серых чугунах происходит при 1153^оС в соответствии с реакцией:

L_{4,25 ↔} γ_2,03 + Гр.

Превращение начинается с выделения графита, который приобретает форму разветвленного (крабовидного) кристалла либо сферокристалла. Сферокристаллы образуются в случае, когда в расплав добавляют небольшие количества модификаторов – обычно соединения магния или редкоземельных элементов. Эти модификаторы приводят к глубокому раскислению и десульфурации расплава, что и оказывает влияние на форму графита.

При выделении крабовидного графита образуется нормальная эвтектика, состоящая из бикристальных колоний аустенита и графита, который на шлифе выглядит пластинчатым. При выделении сферокристллов графита образуется аномальная эвтектика: одна из фаз эвтектики (графит) изолируется из расплава другой фазой (аустенитом). На шлифе сферокристаллы выглядят как шаровидные включения. Кроме графита, структура и свойства серого чугуна определяются металлической основой.

Структура металлической основы зависит от условий охлаждения отливки. При медленном охлаждении из аустенита выделяется вторичный графит, а при эвтектоидном превращении:

γ_0,69 ↔ α_0,2 + Гр.

образуется эвтектоидный графит. И тот и другой присоединяются к графиту эвтектики, и металлическая основа становится ферритной. При ускоренном охлаждении может частично или даже полностью протекать в соответствии с диаграммой метастабильного равновесия, металлическая основа будет соответственно феррито - перлитной или перлитной.

По макроструктуре можно оценить содержание углерода в сером чугуне. Для этого следует найти объемную долю графита (V_гр.) и перлита (V_п), а затем произвести расчет состава сплава, учитывая различия плотностей названных структурных составляющих от плотности сплава:

С_общ. = ( V _гр. γгр.100 + V _п. γ_п.0,8) ∕ γ_спл.., %.

Здесь γ_гр. = 2,3 г ∕ см³ и γ_п. = 7,8 г ∕ см³ – плотность графита и перлита, γ_спл. – плотность чугуна, численные множители показывают содержание углерода (% по массе) в графите и перлите. В выше приведенной формуле принято, что содержание углерода в феррите металлической основы равно нулю Плотность чугуна:

γ_спл. = V_гр.2,3 + (1 –V_гр.) 7,8.

Поскольку объемная доля графита V_гр.обычно не превышает 0,12, плотность серого чугуна может доходить до 7,15 г ∕ см³ .

В формуле определения С_общ первый член в правой части дает содержание так называемого свободного углерода, а второй – связанного.

Для феррито - перлитного чугуна с V_гр = 0,12 иV_п = 0,50 содержание свободного углерода составляет 3,86%, а связанного 0,44%.

Ковкие чугуны получают путем отжига белого чугуна. Отжиг проводят при температуре 950^о С. Структура металлической основы ковкого чугуна определяется в основном скоростью охлаждения. Графит, образовавшийся в процессе отжига, имеет вид компактных выделений в виде комков или хлопьев.

Механические свойства серых чугунов зависят от формы, количества и размеров графитных включений с одной стороны, и структуры металлической основы с другой. Графит определяет хрупкость чугуна.