Общие сведенья по железоуглеродистым сплавам. Русское слово чугун происходит от китайских «чу» – «лить» и «гун» – «дело», «ремесло»

Русское слово чугун происходит от китайских «чу» – «лить» и «гун» – «дело», «ремесло». Постепенно термин чугун заменил в русском языке слова «литое железо».

Широкое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне по сравнению с другими литейными сплавами. Область применения чугуна все больше расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических свойств, а также разработки чугунов новых марок со специальными физическими и химическими свойствами.

Чугун – это многокомпонентный сплав железа с углеродом и другими элементами, характеризующийся эвтектическим превращением. Процессы, протекающие при кристаллизации, и образующиеся структурные составляющие можно проследить по двойной диаграмме равновесного состояния (рисунок).

Рисунок – Двойная диаграмма железо-цементит (линии: сплошные система Ф–Г; штриховые система А(Ф)–Ц)

По диаграмме состояния системы железо-цементит судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства. Сплошные линии - диаграмма состояния железо–цементит (метастабильная, так как возможен распад цементита), а пунктирными – диаграмма состояния железо–графит (стабильная).

В системе железо-цементит (Fe–Fе₃С) имеются следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы – феррит и аустенит, а также химическое соединение – цементит.

Аустенит (g-Fe) – твердый раствор углерода в g-железе. Предельная растворимость углерода в g-железе 2,14%. Он устойчив только при высоких температурах, а с некоторым примесями (Мn, Сг и др.) при обычных (даже низких) температурах. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности, твердость 160-200 НВ.

Феррит может иметь две модификации – высоко- и низкотемпературную. Высокотемпературная модификация d-Fe и низкотемпературная – a-Fe представляют собой твердые растворы углерода, соответственно, в d- и a- железе.

Предельное содержание углерода в a-Fe при 723°С равно 0,02%, а при 20°С – 0,006%. Низкотемпературный феррит a-Fe по свойствам близок к чистому железу и имеет довольно низкие механические свойства, например, при 0,06% С: s = 250 МПа; d = 50%; y = 80%; твердость – 80-90 НВ.

Цементит Fе₃С – химическое соединение железа с углеродом, содержащее 6,67% углерода. Между атомами железа и углерода в цементите действуют металлическая и ковалентная связи. Температура плавления около 1250°С. Цементит является метастабильной фазой. Время его устойчивости уменьшается с повышением температуры: при низких температурах он существует бесконечно долго, а при температурах, превышающих 950°С, за несколько часов распадается на железо и графит. Цементит обладает сравнительно высокими твердостью (800 НВ и выше) и хрупкостью. Прочность его на растяжение очень мала (40 МПа).

В системе железо–цементит имеются две тонкие механические смеси фаз – эвтектическая (ледебурит) и эвтектоидная (перлит).

Перлит (до 2,0%С) - смесь Ф+Ц (в легированных сталях карбидов), образующуюся при 723 °С и содержании углерода 0,83% в процессе распада аустенита. Механические свойства перлита зависят от формы и дисперсности частичек цементита (прочность пластинчатого перлита несколько выше, чем зернистого): σ = 800-900 МПа; δ < 16%; твердость 180-220 НВ.

Ледебурит смесь А+Ц образующяяся при 1130°С в сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67% С. Ледебурит обладает достаточно высокими прочностью (НВ>600) и хрупкостью.

На диаграмме имеются три горизонтали трехфазных равновесий: перитектического (1496°С), эвтектического (1147°С) и эвтектоидного (727°С).

Все линии на диаграмме состояния соответствуют критическим точкам, то есть температурам, при которых происходят фазовые и структурные превращения в железоуглеродистых сплавах.

Линия ABCD – линия начала кристаллизации сплава (ликвидус), линия AHJECF – линия конца кристаллизации сплава (солидус).

В области диаграммы HJCE находится смесь двух фаз: жидкого раствора и аустенита, а в области CFD – жидкого раствора и цементита. В точке С при содержании 4,3% С и температуре 1130°С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь – ледебурит. Ледебурит присутствует во всех сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67% С (чугуны).

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,0%С).

В области AGSF находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением по линии GS феррита, а по линии SE – вторичного цементита. Линии GS и PS имеют большое практическое значение для установления режимов термической обработки сталей. Линия GS - верхних критических точек, а линию PS – нижних критических точек.

В области диаграммы GSP находится смесь двух фаз – феррита и распадющегося аустенита, а в области диаграммы SEE' – смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита.

В точке S при содержании 0,8% С и при температуре 723°С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита – перлит.

Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и образованию перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит.

Структурные превращения в сплавах, находящихся в твердом состоянии, вызваны следующими причинами: изменением растворимости углерода в железе в зависимости от температуры сплава (QP и SE), полиморфизмом железа (PSK) и влиянием содержания растворенного углерода на температуру полиморфных превращений (растворение углерода в железе способствует расширению температурной области существования аустенита и сужению области феррита).

Диаграмма стабильного равновесия Fe - Fе₃С отображает возможность образования высокоуглеродистой фазы - графита - на всех этапах структурообразования в сплавах с повышенным содержанием углерода. Диаграмма состояния стабильной системы железо - графит отличается от метастабильной системы железо-цементит только в той части, где в фазовых равновесиях участвует высокоуглеродистая фаза (графит или цементит).

На диаграмме состояния различают две области: стали и чугуны. Условия принятого разграничения – возможность образования ледебурита (предельная растворимость углерода в аустените):

– стали - до 2,14% С, не содержат ледебурита;

– чугуны - более 2,14% С, содержат ледебурит.

В зависимости от содержания углерода (%) железоуглеродистые сплавы получили следующие названия:

– менее 0,83 – доэвтектоидные стали;

– 0,83 – эвтектоидные стали;

– 0,83–2,0 – заэвтектоидные стали;

– 2,0–4,3 – доэвтектические чугуны;

– 4,3–6,67 – заэвтектические чугуны.

Дата добавления: 2014-01-06