Технология материалов. Лекции

Графит – важнейшая  фазовая и структурная составляющая (Г) серых, ковких и высокопрочных  чугунов, обусловливающая их малую  усадку при кристаллизации, высокие антифрикционные свойства, малую изнашиваемость, большое внутренние трение, обеспечивающее уменьшение вибраций, и ряд других полезных свойств. Графит – гексагональная модификация углерода. При нормальном давлении графит является стабильной составляющей до температур около 4000˚С.

В решетке графита  атомы расположены слоями с гексагональной симметрией. В первом и третьем  слоях атомы расположены друг над другом. Во втором (среднем) слое атомы сдвинуты вдоль наибольшей диагонали шестигранника на величину параметра решетки (длину стороны шестигранника). Расстояние между слоями (3,35 кХ) значительно больше, чем расстояния между соседними атомами в гексагональном слое. Из-за легкой подвижности слабо связанных гексагональных слоев графит – наименее прочная фаза железоуглеродистых сплавов.

Графит в структуре  железоуглеродистых сплавов находится  либо в виде избыточной фазы (в заэвтектическом  сером чугуне), либо в качестве фазовой  составляющей, входящей в состав аустенито-графитной  эвтектики. Графит имеет форму разветвленных крабовидных включений. Эвтектический графит отличается от первичного меньшими размерами и большей разветвленностью.

После модифицирования  жидкого чугуна магнием и некоторыми другими элементами, а также после  отжига белого чугуна на ковкий, в структуре можно наблюдать глобулярный (хлопьевидный или шаровидный) графит. Эта форма графита обеспечивает получение повышенной прочности и пластичности чугуна.

Все описанные фазовые  составляющие могут одновременно быть и структурными составляющими, если они в структуре сплава находятся в виде избыточных фаз или составляют основу структуры сплава.

Кроме однофазных структурных  составляющих в железоуглеродистых сплавах имеют место и сложные  двухфазные: перлит, ледебурит, графито-аустенитная  эвтектика и феррито-графитный эвтектоид.

Перлит – это  эвтектоидная физико-химическая смесь  двух фаз: феррита и цементита, образовавшаяся в метастабильной системе железо-углерод  за счет диффузионного расслоения аустенита  по эвтектоидной реакции. Перлит образуется при переохлаждении аустенита ниже линии PSK диаграммы железо-углерод. Строение перлита определяется величиной переохлаждения, при котором происходит распад.

При малом переохлаждении (на 20-30 ˚С ниже линии эвтектоидного  превращения) образуется зернистый  перлит. Зернистый перлит представляет собой феррито-цементитную структуру, в которой основой является феррит, а по его объему статистически равномерно распределены зернистые, близкие к сферическим, включения цементита.

При большем переохлаждении образуется структура пластинчатого перлита, состоящего из регулярно чередующихся пластин цементита и феррита, причем, пластины феррита примерно в 7 раз толще пластин цементита. 

Абсолютные значения толщины цементитных и ферритных  пластин, величина расстояния между  одноименными пластинами в составе эвтектоидной смеси, называемая межпластиночным расстоянием, и характеризующая степень дисперсности структуры, определяются степенью переохлаждения аустенита ниже равновесной температуры эвтектоидной реакции. Чем больше степень переохлаждения, тем выше дисперсность феррито-цементитной эвтектоидной смеси. Высокодисперсные феррито-цементитные смеси носят названия сорбит и троостит. Троостит наиболее дисперсная феррито-цементитная смесь.

Перлит присутствует в структуре сталей и чугунов. Количество перлита растет в доэвтектоидных сталях с увеличением содержания углерода от 0,02 до 0,8%. Эвтектоидная сталь имеет чисто перлитную структуру (100% перлита).

Дальнейшее увеличение содержания углерода в стали, соответствующее  переходу к заэвтектоидным сталям, а далее – к чугунам, сопровождается уменьшением доли перлита в структуре за счет появления и увеличения количества вторичного, эвтектического и, наконец, первичного цементита.

Перлит в малоуглеродистых сталях появляется сначала в виде отдельных включений между зернами феррита, затем при увеличении его количества, он постепенно занимает в структуре все большее поле зрения на поверхности шлифа. Пока перлита в структуре мало, строение его не выявляется при малых и средних увеличениях оптического микроскопа. В эвтектоидной и заэвтектоидной сталях пластинчатое строение его выявляется уже при небольших увеличениях (Ч100 - 200). В структуре чугуна перлит находится как в виде избыточных колонийных структурных составляющих – продуктов распада избыточного аустенита, так и в составе ледебурита. Механические свойства перлита определяются его структурным состоянием. Расчет по правилу аддитивности твердости перлита, исходя из известных значений твердости феррита и цементита, дает значения 150-180 НВ. Экспериментально определенные значения твердости пластинчатого перлита, сорбита и троостита соответственно равны 170 - 230, 230 - 330 и 330 - 400 НВ. Таким образом, можно видеть, что чем выше степень дисперсности феррито-цементитной смеси, тем выше его твердость.

Ледебурит – эвтектическая физико-химическая смесь аустенита и цементита, образующаяся в результате эвтектической кристаллизации из жидкости, содержащей 4,3% углерода.

Ледебурит представляет собой колонийную структуру, основу которой составляют пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита. Ветви аустенита в составе ледебурита располагаются регулярно по всему объему эвтектической цементитной пластины и имеет форму стержней примерно цилиндрической конфигурации. На шлифе колония ледебурита в зависимости от направления поверхности шлифа относительно аустенитных ветвей может выглядеть либо в виде «зернистой» смеси при поперечном сечении колонии, либо «пластинчатой» - при продольном сечении. При сечении колонии под углом к плоскости базиса цементита, сечения аустенитных ветвей в составе ледебурита эллиптической конфигурации.

Кроме колонийного (сотового) ледебурита эвтектическая смесь  аустенита и цементита может  встречаться в виде пластинчатой эвтектики, представляющей собой пакет  тонких цементитных пластинок, разделенных аустенитом. Такие пакеты образованы двумя переплетенными кристаллами цементита и аустенита. Вероятность образования пластинчатого ледебурита увеличивается с ростом степени переохлаждения жидкости при кристаллизации. При этом увеличивается доля пластинчатого ледебурита в структуре белого чугуна. Чаще всего пакет пластинчатого ледебурита составляет основу, на которой зарождается и растет колония сотового ледебурита.

При очень больших  скоростях охлаждения весь ледебурит  может оказаться пластинчатым. В этом случае цементит разветвляется, приобретая вид веерообразных колоний. При еще больших скоростях охлаждения появляются сферолитные колонии. Ледебурит, состоящий из эвтектической смеси аустенита и цементита, устойчив в температурном интервале от эвтектической до эвтектоидной линии на диаграмме железо-углерод. При понижении температуры ниже 727 ˚С аустенит в составе ледебурита претерпевает эвтектоидное превращение, в результате чего при комнатной температуре ледебурит представляет собой эвтектическую смесь перлита с цементитом. Строение перлита в ледебурите такое же, как и в сплавах с меньшим содержанием углерода (сталях).

Ледебурит, как и  цементит, образующий его основу, тверд, износостоек и обладает практически  нулевой пластичностью. Эти свойства ледебурита лежат в основе использования такой структуры в белых чугунах, используемых в качестве одних из наиболее износостойких материалов.

Аустенито-графитная  эвтектика образуется в стабильной системе железо-углерод и представляет собой смесь кристаллов графита, сформировавшуюся при одновременном выделении из жидкости состава 4,25% углерода обеих фазовых составляющих. При малых степенях переохлаждения графит эвтектики имеет, как и первичный графит, разветвленную пластинчатую форму. Увеличение скорости охлаждения приводит к расщеплению графитных пластин и образованию сферических кристаллов. Эвтектическая аустенито-графитная структура мало отличается от выделения первичных кристаллов графита. Главное отличие этих структур заключается в размере графитных включений. Они в эвтектике мельче первичных кристаллов.

Феррито-графитный  эвтектоид – продукт эвтектоидного  распада аустенита, содержащего 0,69% углерода, который реализуется в  условиях очень медленного охлаждения при температурах ниже 738˚С.

Феррито-графитный  эвтектоид – дисперсная смесь феррита, составляющего основу структуры сплава, и дисперсных разветвленных или сферических графитных частиц, распределенных в феррите статистически равномерно. Однако в большинстве случаев эвтектоидный графит при распаде аустенита осаждается на ранее образовавшихся первичных и эвтектических графитных кристаллах. Эвтектоидное превращение с образованием феррито-графтного эвтектоида используется при термической обработке чугунов и графитизированной стали для получения феррито-графитной структуры, обладающей хорошими антифрикционными свойствами при сохранении достаточно высокой пластичности сплавов.

Характеристика основных точек и линий диаграммы железо-углерод

Все точки диаграммы  железо-углерод имеют определенный физический смысл и общепризнанные в мировой практике буквенные обозначения. Знание основных свойств и характеристик этих точек облегчает понимание диаграммы и ее практическое использование. Ниже приведены краткие характеристики точек и линий диаграммы.

Основные точки диаграммы железо-углерод

А – точка, соответствующая  плавлению – кристаллизации чистого  железа. Температура, отвечающая этой точке 1539 °С. Число степеней свободы  в этой точке равно нулю. На термических  кривых для чистого железа температуре  точки А соответствуют горизонтальные площадки, которые возникают за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации. Переход из твердого в жидкое состояние, соответствующий точке А, сопровождается резким увеличением объема (около 6%), связанным с нарушением дальнего порядка в кристаллическом строении d-железа. При кристаллизации чистого железа в этой точке наблюдаются обратные явления.

В – точка предельного  насыщения железом жидкого раствора, находящегося в равновесии одновременно с кристаллами d- и g-твердых растворов  при перитектической температуре. Точке В соответствует содержание углерода в жидкости 0,51%, температура 1496 °С.

С – эвтектическая  точка в метастабильной системе Fe – Fe3C. Температура 1147 °C, концентрация углерода, соответствующая точке  С – 4,3% – это содержание углерода в жидком растворе, находящемся в равновесии одновременно с аустенитом и цементитом при эвтектическом превращении. Число степеней свободы, соответствующее этой точке, равно нулю. На термических кривых охлаждения и нагрева точке С соответствуют горизонтальные площадки, аналогичные площадкам плавления – кристаллизации чистого железа.

Сў – эвтектическая  точка в стабильной системе железо-графит. Температура, соответствующая точке 1153 °С, концентрация углерода – 4,25% –  это содержание углерода в жидкости, находящейся в равновесии с аустенитом и графитом при эвтектической кристаллизации. Как и в точке С, в данной точке система нонвариантна.

D – согласно принятым  обозначениям точку D относят  к температуре плавления цементита.  Однако известные данные свидетельствуют о том, что цементит представляет собой термодинамически неустойчивую фазу, в связи с чем, перед плавлением он разлагается на железо и графит. При этом положение точки D на диаграмме оказывается неопределенным.

Dў – точка,  соответствующая температуре плавления графита (около 4000°С).

Е – точка, отвечающая предельному содержанию углерода в  аустените, находящемся в равновесии с цементитом и жидкостью при  эвтектической температуре (1147 °С) в  метастабилъной системе. Значение содержания углерода 2,14%. Точка Е на концентрационной оси диаграммы является своеобразной границей между сталями и чугунами. При содержании углерода в сплавах меньше 2,14% в их структуре отсутствует ледебурит; при содержании углерода более 2,14% ледебурит присутствует в структуре сплавов. Это – важнейшая структурная составляющая чугунов.

Еў – точка, отвечающая предельному содержанию углерода в  аустените, находящемся в равновесии с графитом и жидким раствором  при эвтектической температуре (1153 °С) в стабильной системе. Значение содержания углерода, соответствующего этой точке, равно 2,03 %.

F – точка предельного  насыщения цементита железом  при эвтектической температуре  (1147°С). Значение концентрации углерода, соответствующее точке F, практически  близко к 6,67%, хотя последние  работы показывают наличие некоторой весьма малой растворимости железа в цементите.

Fў – точка предельного  насыщения графита железом при  эвтектической температуре (1153 °С).

G – точка полиморфного  превращения в чистом железе a Ы g. Температура превращения 911°С. Число степеней свободы системы в этой точке равно нулю. Перестройка кристаллической решетки a ® g сопровождается уменьшением объема, обратный переход g ® a увеличивает удельный объем образца, что связано с различной плотностью упаковки атомов в гранецентрированной решетке g - железа и объемно-центрированной решетке a - железа. Точка G соответствует для чистого железа критической точке А3.

Н – точка предельного  насыщения углеродом d-феррита при  температуре перитектического превращения. Температура, соответствующая этой точке 1496 °С, концентрация углерода 0,10%, что Это соответствует концентрации d-феррита, находящегося в равновесии с аустенитом и жидкостью при температуре перитектики.