С содержанием углерода 6,67%. В виду такой разницы содержание углерода в исходной и образующейся фазе процесс распада носит диффузионный характер.
Рис.33. Схема превращения аустенита в перлит
Рассмотрим превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали (0,8%С). Образцы нагревают до t ≈ 770ОС, при которой ее структура состоит из однородного аустенита. Затем образцы быстро переносят в термостаты с заданной температурой - ниже А 1 (интервал между изотермами 25-30ОС), и в процессе изотермической выдержки наблюдают за происходящими в аустените превращениями.
Процесс превращения аустенита в перлит можно изобразить в виде кинетической кривой превращения в координатах степень превращения - время (рис.34).
В точке а обнаруживается начало превращения. В точке b - превращение заканчивается. Отрезок до точки а - инкубационный период. Отрезок до точки b - время превращения. Максимум скорости превращения соответствует примерно тому времени, когда превратилось ≈ 50% аустенита.
При высокой температуре (малая степень переохлаждения) превращение развивается медленно - продолжительность инкубационного периода и время превращения велики. При увеличении степени переохлаждения (снижении температуры превращения) скорость превращения возрастает. Максимум скорости превращения соответствует температуре t3. Дальнейшее снижение температуры приведет уже к уменьшению скорости превращения.
Максимальная скорость превращения достигается предварительным охлаждением аустенита до 500 -550 0 С.
Рис.34. Кинетика превращения аустенита в перлит
На рис.34а показана серия кинетических кривых, относящихся к разным температурам (разным степеням переохлаждения).
По полученным данным строят диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита в координатах «температура - логарифм времени»
Линии начала и конца превращения напоминают букву С и называются С-образные кривые. Эта диаграмма распада переохлажденного аустенита для эвтектоидной стали . Левее линии начала превращения находится область устойчивого состояния переохлажденного аустенита с минимальной устойчивостью при t=500-550 0 C. В зависимости от степени переохлаждения на диаграмме выделяют перлитную область (при переохлаждении в интервале А 1 (550 0 С), бейнитную область (в интервале t 550 - М н), и мартенситную область при температуре переохлаждения ниже линии М н.
С увеличением степени переохлаждения (т.е. чем ниже температура изотермической выдержки) растет число зародышей новых зерен, число феррито-цементитных пластинок увеличивается, а их размеры и расстояния между ними сильно сокращаются. Таким образом, дисперсность образующихся фаз растет.
Перлит, сорбит, троостит представляют собой механические смеси феррита и цементита. Они различаются только по степени дисперсности. При этом повышается их твердость.
При медленном охлаждении со скоростью V 1 (вместе с печью) образуется сравнительно грубая пластинчатая смесь - обычный перлит. Твердость по Роквеллу HRC =10; σ в = 600 МПа.
При охлаждении на воздухе со скоростью V 2 образуется сорбит , который отличается от перлита более тонкодисперсным строением HRC =20; σ в = 850 МПа.
При охлаждении в масле со скоростью V 3 образуется еще более высокодисперсный троостит, HRC =30; σ в = 1100 МПа.
Лучшую пластичность и вязкость, а вместе с тем и прочность, имеет структура сорбита. Стали с сорбитной структурой более износостойкие. Они используются для изготовления нагруженных изделий.
Стали со структурой троостита обладают значительной упругостью и используются для изготовления пружин, рессор.
Превращение аустенита в мартенсит
При переохлаждении до температуры 200 0 С скорость диффузии атомов железа и углерода практически равна нулю, следовательно, при этой температуре скорость превращения переохлажденного аустенита в перлит также равна нулю.
При охлаждении образцов со скоростью выше критической при температуре 240° (линия MН) начинается γ → α превращение. Так как при этих температурах скорость диффузии мала, превращение носит без диффузионный характер и весь углерод, растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита. В результате образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе - мартенсит . Атомы углерода располагаются на ребре куба элементарной ячейки. При этом ОЦК-решетка сильно искажается, превращаясь из кубической в тетрагональную (рис.35).
Рис.35. Тетрагональная кристаллическая ячейка
Наименьшая скорость охлаждения, необходимая для образования структуры мартенсита называется критической скоростью закалки - V кр.
Отношение c/a - называется степенью тетрагональности, (c/a¹1).
Мартенсит образуется при резком переохлаждении аустенита ниже температуры начала мартенситного превращения практически мгновенно. Кристаллы имеют форму пластин, в плоскости шлифа под микроскопом структура мартенсита выглядит как отдельные иглы, ориентированные под определенными углами друг к другу (рис.36).
Рис.36. Схема образования мартенсита
Твердость мартенсита зависит от содержания углерода, и максимально составляет величину порядка 60-65 HRC.
Твердость стали, зависит от скорости охлаждения из аустенитной области, определяющей тип структуры. Если проводить охлаждение с малой скоростью, то аустенит будет распадаться на феррито-цементитную смесь пластинчатого строения, которая называется перлитной. С увеличение скорости охлаждения происходит распад аустенита с образованием более дисперсных выделений феррита и цементита так же пластинчатого строения- сорбит с твердостью 250-300НВ и тростит, с твердостью 300-400НВ (рис.38).
Если аустенит переохлаждать до температуры начала мартенситного превращения то, никакого распада на ферито-цементитную смесь не происходит. Аустенит по бездифузионному механизму превращается в мартенсит. Скорость охлаждения касательная к перегибу с-образной кривой называется критической скоростью закалки. Это минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит переохлаждается без распада до начала мартенситного превращения. Следовательно, при закалке сплавы необходимо охлаждать со скоростью выше критической.
Рис.37.Диаграмма изотермического распада аустенита
Прямая Mн является границей между верхней и нижней частями диаграммы. Эта прямая характеризует начало мартенситного превращения аустенита
Нижняя часть диаграммы показывает, что для перевода всего остаточного аустенита в мартенсит необходимо понижать температуру стали до линии Mк (конец мартенситного превращения).
Положение точек Mн и Mк зависит от содержания в стали углерода и присутствия легирующих элементов. Оно не зависит от скорости охлаждения. Поэтому на С-образной диаграмме эти линии горизонтальные.
Все легирующие элементы, кроме кобальта, увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита. По этому С-образные кривые сдвигаются вправо, в сторону больших времен выдержки. Вместе с тем снижается критическая скорость закалки.
Температурный интервал Mн - Mк (мартенситное превращение) снижается вплоть до отрицательных температур. То же самое наблюдается в присутствии большого количества углерода. При содержании углерода свыше 0,6% Mк находится в области отрицательных температур (рис.38). Например, превращение всего аустенита в мартенсит для эвтектоидной углеродистой стали наступит лишь при температуре -50°.
Рис.38. Влияние содержания углерода на температуру начала и конца мартенситного превращения
Малейшая изотермическая выдержка в интервале температур Mн - Mк приводит к стабилизации аустенита, то есть превращение не доходит до конца, и кроме мартенсита в структуре наблюдается т.н. остаточный аустенит.
Мартенсит - очень твердая и хрупкая структура. Свойства зависят от количества углерода: HRC =55-65, σ в = 1600 -2200 МПа.
В интервале температур между перлитным и мартенситным превращениями происходит промежуточное превращение - бейнитное . В отличие от перлитного превращения, протекающего по диффузионному механизму, бейнитное превращение протекает как по диффузионному, так и по бездиффузионному (мартенситному) механизму. Поэтому бейнитное превращение иначе называют промежуточным. При таких степенях переохлаждения диффузия атомов возможна, а диффузия атомов железа практически проходить не может. Результатом распада аустенита в бейнитной области является структура бейнита - пересыщенного углеродом феррита, имеющего игольчатое строение. Поэтому бейнит иначе называют игольчатый тростит.
В отличие от перлитных структур в бейните повышенное содержание углерода, т.к. при этих температурах диффузионные процессы сильно замедляются, и перераспределение углерода не происходит в полной мере. Различают верхний и нижний бейнит. Верхний бейнит имеет так называемую перистую структуру близкую к троститной, образующейся при переохлаждении несколько ниже перегиба С-образной кривой. Нижний бейнит имеет игольчатое строение близкое к мартенситу. Он образуется при температуре на 50-100 о С выше Mн обладает благоприятным сочетанием свойств прочности (σ в = 1350 МПа), твердости (HRC =40) и пластичности.
Структура заэвтектоидной стали
Структура чугунов
Цель работы : изучить микроструктуру чугунов.
Задачи :
1. Изучить структуру белых чугунов;
2. Определить долю цементита в составе ледебурита;
3. Изучить структуру графитизированных чугунов, оценить визуально при одинаковом увеличении соотношение длины и радиуса «заострения» у графитовых включений в различных чугунах;
4. Определить вид чугуна и указать технологию создания наблюдаемой структуры;
5. Определить особенности дефектной структуры и указать возможные способы её устранения.
Оборудование и материалы:
Микроскоп металлографический;
Микрошлифы чугунов.
Введение
Чугуны представляют сплавы железа и углерода и отличаются от сталей более высоким содержанием углерода.
Чугунами называют сплавы железа с углеродом, в которых может содержаться от 2,14 (точка Е на диаграмме железо – углерод) до 6,67 % С (при такой концентрации образуется карбид железа – цементит). В чугунах при первичной кристаллизации возможно протекание эвтектической реакции при температуре 1147 о С. Поэтому чугуны обладают хорошей жидкотекучестью и используются как литейный материал.
Классификация чугунов
Чугуны можно классифицировать по различным признакам:
По состоянию углерода;
По наличию легирующих элементов и другим.
Углерод в чугунах может находиться как в свободном состоянии – в виде графита, так и в связанном – в виде цементита. Выделение углерода в виде графита называют графитизацией. По состоянию углерода чугуны делят на белые и графитизированные.
В белых чугунах углерод находится в связанном состоянии – в виде
цементита Fe 3 C. Наличие большого количества цементита и отсутствие выделений графита делают излом таких чугунов светлым как у стали, поэтому они и получили название белые. Структура эвтектического белого чугуна состоит из эвтектики, называемой в честь немецкого учёного Ледебура ледебуритом. Ледебурит в момент образования представляет гетерогенную смесь аустенита и цементита, в которой цементит является матричной фазой. При охлаждении ниже температуры эвтектоидного превращения аустенит преобразуется в перлит. Таким образом, при комнатной температуре ледебурит представляет смесь колоний перлита и цементита. Под микроскопом он выглядит в виде множества тёмных пятен перлита на светлом фоне цементита.
В структуре доэвтектического белого чугуна кроме ледебурита присутствуют весьма крупные колонии перлита, образовавшиеся на месте кристаллов аустенита, выделение которых предшествовало эвтектической реакции. В расположении этих крупных перлитных колоний можно заметить некоторую закономерность, свидетельствующую о дендритном строении первичных кристаллов аустенита.
Рисунок 1 – Схемы структур белых чугунов
Рисунок 2 - Микроструктура доэвтектического белого чугуна
В отличие от доэвтектического в заэвтектическом белом чугуне на фоне ледебурита наблюдаются крупные светлые кристаллиты цементита первичного, имеющие обычно игольчатую форму.
Темные участки- это перлит. Светлый фон – цементит. Крупные колонии перлита окружены цементитом вторичным, который выделился из зёрен аустенита в процессе охлаждения в интервале от 1147 о С до 727 о С. Закономерное расположение этих перлитных колоний указывает на дендритное строение кристаллитов аустенита, выделившихся из жидкой фазы при первичной кристаллизации чугуна.
Белые чугуны из-за большого количества твёрдой и хрупкой фазы – цементита тверды и хрупки, очень трудно обрабатываются резанием. Поэтому они для изготовления деталей машин почти не применяются.
Обычно детали машин делают из графитизированных чугунов, в которых углерода в связанном состоянии (в виде цементита) не более 0,8%.
Остальное количество углерода в графитизированных чугунах присутствует в свободном виде – в виде кристаллитов графита. При разрушении чугуна свободный углерод обнажается в изломах и придаёт им серую матовую окраску, устраняет металлический блеск. Поэтому графитизированные чугуны получили название – серые.
Кристаллиты графита в графитизированных чугунах могут иметь различную геометрическую форму: пластинчатую, хлопьевидную, вермикулярную и шаровидную. Металлическая основа чугунов тоже бывает различной: перлитной, перлитно-ферритной и ферритной.
Структура металлической основы, форма выделений графита, его количество размеры и расположение оказывают большое влияние на свойства чугуна. С увеличением доли перлита в металлической основе возрастают твердость, износостойкость, прочность, снижается пластичность.
Формой графита в большей степени определяются показатели пластичности. Схемы различных структур графитизированных чугунов представлены на рисунке 3.
| Металлическая основа | Форма графитных включений | |||||
| Пластинчатая | Вермикулярная | Хлопьевидная | Шаровидная | |||
| Феррит |  |  |  | твердость | ||
| Феррит + перлит |  |  |  | |||
| Перлит |  |  |  |  | ||
| направление возрастания пластичности |
Рисунок 3 - Схемы структур графитизированных чугунов
Для деталей машин используют обычно доэвтектические графитизированные чугуны, в которых количество углерода в виде карбида Fe 3 C (цементита) находится не более 0,8%. Остальное количество углерода в них находится в виде свободного графита. Свободный углерод обнажается в изломах и придает им серую матовую окраску, поэтому такие чугуны называют серыми.
Формирование структуры чугуна существенно зависит от химического состава и скорости охлаждения.
Для образования зародышей цементита требуется меньше энергии, чем для образования зародышей графита. Поэтому в обычных условиях, несмотря на то, что графит является более устойчивой фазой, чем цементит, при первичной кристаллизации из жидкого чугуна выделяется эвтектика ледебуритная (смесь аустенита с цементитом), а не графитная (аустенит +графит).
Технические чугуны в своем составе кроме железа и углерода содержит 1-2% кремния, а так же марганец, серу и фосфор. Наличие кремния и снижение скорости охлаждения облегчают процесс графитизации.
Металлическая основа графитизированных чугунов после эвтектоидного превращения состоит из феррита и перлита в разных пропорциях и может быть перлитной, ферритно–перлитной, или только ферритной (рисунок 3).
Графит хрупок и непрочен и, присутствуя в чугуне, ослабляет его металлическую основу. Его включения можно рассматривать как пустоты, вблизи которых в металлической основе под нагрузкой происходит концентрация напряжений. Эта концентрация определяется геометрической формой дефектов – графитовых включений и может быть количественно оценена коэффициентом концентрации напряжений
l – длина дефекта (наибольший размер);
r – радиус закругления в вершине дефекта.
Кристаллы графита в чугунах могут иметь, в зависимость от условий образования, пластинчатую, хлопьевидную, вермикулярную и шаровидную форму. Форма выделений графита, его количество, размеры и расположение, а также строение металлической основы оказывают большое влияние на свойства чугунов. Показатели прочности, твердость, износостойкость возрастают с увеличением доли перлита в металлической основе, а показатели пластичности определяются главным образом формой графитовых включений.
По форме графитовых кристаллитов чугуны разделяются на серые, ковкие, высокопрочные и чугуны с вермикулярным графитом. В обычных серых чугунах графит выделяется при первичной кристаллизации отливок при их медленном охлаждении. Выделения графита вырастают в окружении жидкой фазы и приобретают форму искривленных пластинок. На фотографии структуры они выглядят в виде длинных криволинейных темных полос.
Пластинчатые выделения ослабляют чугун в наибольшей степени. Чугун с такими выделениями даже при пластичной ферритной основе разрушается хрупко. Относительное удлинение после разрушения около 0,5%. Особенно ослабленным оказывается чугун, в котором выделения
графита образуют замкнутый скелет. Серые чугуны технологичнее и дешевле сталей, поэтому широко используются для изготовления многих деталей, особенно для испытывающих при эксплуатации сжимающие нагрузки.
Ковкий чугун получают путем длительного отжига отливок со структурой белого чугуна. При отжиге цементит Fe 3 C разлагается на Fe и C и выделяющийся графит приобретает компактную хлопьевидную форму. Чугун с таким графитом проявляет пластичность (относительное удлинение от 2 до 12%) и применяется для тонкостенных деталей подвергаемых даже динамическим нагрузкам.
Еще компактней выделения графита в высокопрочных чугунах, в которых, используя модифицирование церием или магнием, удается получить непосредственно при первичной кристаллизации шарообразные кристаллиты графита. Высокопрочный чугун широко используется взамен литых стальных заготовок, особенно для деталей сложной конфигурации.
Половинчатые чугуны. Половинчатыми называют графитизированные чугуны, в которых наряду с графитом присутствуют признаки ледебурита или цементита вторичного, рисунок 4. В этом случае количество углероды в связанном состоянии превышает 0,8%.
Рисунок 4 - Чугун половинчатый
(На светло-сером фоне металлической основы черные выделения глобулярного графита и светлые продолговатые кристаллиты цементита. Шлиф не травлен)
Половинчатые чугуны более твердые и износостойкие, но и более хрупкие, чем перлитные серые. Они трудно обрабатываются лезвийным инструментом и применяются лишь в особых случаях. Чаще половинчатость расценивается как литейный брак.
В технических чугунах с повышенным содержанием фосфора может наблюдаться фосфидная эвтектика Fe 3 P-Fe, располагающаяся обычно в виде небольших островков между колониями перлита. Фосфидная эвтектика улучшает жидкотекучесть чугуна и повышает его износостойкость.
Чугун с вермикулярным графитом, получают благодаря регламентированному модифицированию силикокалицием, церием, магнием или магнийцериевой и другими лигатурами. В результате выделения графита приобретают червеобразную (вермикулярную) форму. Вермикулярный графит отличается от пластинчатого меньшей степенью неравномерности, меньшими размерами и округлой формой кромок.
По механическим свойствам он занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным.
Специальные чугуны. Для придания чугунным деталям более высоких механических свойств используют чугуны, легированные хромом, никелем, ванадием и другими элементами. Легирование в сочетании с термической обработкой расширяет рамки изменения структуры и свойств чугунов и области применения этих технологичных сплавов.
Порядок проведения работы:
1. Изобразить график охлаждения доэвтектического белого чугуна и объяснить все процессы, происходящие в нем при первичной кристаллизации, происходящие в нем при первичной кристаллизации и при дальнейшем охлаждении до комнатной температуры.
2. Изучить под микроскопом и зарисовать микроструктуру белых чугунов.
3. Расшифровать фазы и структурные составляющие в наблюдаемых чугунах.
4. Изучить микроструктуру графитизированных чугунов, зарисовать и расшифровать её.
5. На основании анализа структуры дать полное название зарисованным чугунам.
6. Оценить в графитизированных чугунах возможную концентрацию механических напряжений вблизи графитовых выделений.
- Сделать выводы о свойствах и областях применения изученных чугунов.
Контрольные вопросы:
1. Какие структурные отличия разделяют, стали и чугуны?
2. Что общего в структурах отожженных сталей и чугунов?
3. Какие характеристики графита оказывают влияние на свойства чугунов?
4. В чем заключается отрицательное влияние графита на свойства чугунов?
5. Какое положительное влияние на свойства чугунов оказывает графит?
6. Какие факторы способствуют повышению износостойкости чугунов?
7. С какой целью проводят модифицирование чугунов?
1.Общие теоретические положения.
2.График охлаждения белого чугуна.
3.Рисунки структур изученных чугунов.
4.Выводы о свойствах и применении изученных чугунов.
Литература
1 Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990. – 528с.
1. Фетистов Г.П. и др. Материаловедение и технология металлов. – М.: Высшая школа, 2000. – 638с.
2. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. – 544с.
Методические указания к проведению лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение» для студентов всех специальностей очной и заочной форм обучения
Составители: ст. преподаватель Прожерин А.Е.
доцент, к.т.н., доцент Теплоухов О.Ю.
Подписано к печати Бум. писч. № 1
Заказ № Уч. – изд. л.
Формат 60/90 1/16 Усл. печ. л.
Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж_________экз.
В соответствии с ранее данными определениями фазовой и структурной составляющих системы, в системе железо-углерод к фазовым составляющим относятся: жидкий раствор (L), твердые растворы: феррит (α), аустенит (γ) , высокотемпературный феррит (δ), а также цементит и графит (Г).
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 (×100 - 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.
Перлитная структура получила свое название от того, что после травленная она имеет под микроскопом перламутровый блеск.
В перлитном интервале превращения аустенита образуется перлитная структура — механическая смесь пластин феррита и цементита. Скорость, с которой формируются зародыши перлитной кристаллизации, зависит от переохлаждения аустенита по отношению в равновесной температуре образования цементита. Это переохлаждение возрастает с понижением температуры. Рост островков перлитной структуры зависит в основном от скорости диффузии атомов углерода и железа. Другими решающими факторами являются степень переохлаждения и выигрыш в свободной энергии при образовании феррита.
Механизмы образования перлитной структуры
Островки перлита растут не только за счет образования новых пластин, но и за счет роста старых пластин во всех направлениях. Карбидные пластины растут быстрее, чем ферритные. Процесс, однако, начинается с образования ферритных зародышей. Механизм формирования перлитной структуры до сих пор до конца не понят. Классический перлит – это множество так называемых перлитных колоний, которые состоят из чередующихся параллельных пластин феррита и цементита (рисунок 1).
Рисунок 1 — Эвтектоидный перлит
Перлитные зародыши возникают преимущественно в дефектных областях на границах зерен, на нерастворимых карбидах или неметаллических включениях.
Важнейшей характеристикой перлита является расстояние между его пластинами – межпластиночное расстояние (рисунок 2). С уменьшением этого расстояния прочностные свойства стали возрастают.
Сталь 112 Экстракционная реплика. В феррите видны мелкие выделения. Они образуют довольно длинные частицы, которые состоят из игл, расположенных как параллельно, так и перпендикулярно друг к другу; иногда они лежат по обе стороны центрального ребра. Это-выделение карбонитрида:1
Сталь 112 Экстракционная реплика. Видны тонкие иглы, расположенные по обе стороны длинного ребра и образующие одна с другой около 60º. Выделения состоят из цементита и карбонитрида:1
Сталь 112 Экстракционная реплика. Выделения карбонитрида в виде сетки, образованной взаимно перпендикулярными стержнями:1
Сталь 126 Реплика. Во многих ферритных зернах цементит имеет вид коротких пластин, образующих цепочку. Некоторые пластины кажутся более широкими в зависимости от характера сечения. Близко расположенные друг к другу пластины выявляются из-за замедленного травления. Имеется некоторое количество доэвтектоидного феррита 2000:1
Сталь 132 Тонкоигольчатый мартенсит, содержащий небольшие мартенситные частицы. Перлитный цементит почти растворился, сохранился заэвтектоидный цементит. Нерастворившиеся карбидные частицы способствуют образованию зернистого цементита во время медленного охлаждения 1500:1
6. Растворение перлита, цементита и феррита Сталь 133 Перлит полностью превратился в аустенит, а феррит сохранился. Однако в феррите произошли изменения, свидетельствующие о начале превращения. Из-за того, что температура отжига ниже Ас3, даже после длительной выдержки феррит не растворился целиком 1500:1
Сталь 134 Произошло частичное превращение перлитной структуры в аустенит. Слабо протравилась непревращенная исходная структура. Сильно протравился мартенсит, содержащий частицы цементита. При образовании аустенита цементит растворился не полностью. Частицы остаточного цементита выросли 1000:1
Сталь 134 Реплика. Сильно протравленные темные участки представляют собой феррит, внутри которого имеются субграницы и небольшие цементитные частицы. Более светлые участки – аустенит, превращенный в мартенсит. Видно, что часть цементита растворилась во время образования аустенита, и что сохранившиеся карбидные частицы окружены аустенитом. Нерастворившиеся зерна цементита цементита сильно выросли 10000:1
7. Ферритная оторочка Сталь 135 Во время относительно медленного охлаждения феррит, который выделился из аустенита, образовался на нерастворившемся феррите Затем из обогащенного углеродом аустенита при температуре Аr1 образовался перлит. Выделившийся и нерастворившийся феррит травятся по-разному, вероятно, из-за различной концетрации растворенных в нем легирующих элементов. 500:1
Сталь % феррита, 75% перлита. Ферритные зерна более мелкие. Аустенитное зерно 8-10 балла 500:1
46
Сталь 136 Даже при больших увеличениях детали перлитной структуры не разрешаются, так как пластины цементита очень тонкие. Колонии перлита травятся неодинаково, так как в них различны ориентации ферритной матрицы. Маленькие светлые и темные частицы являются цементитом. 1500:1
49
51
Сталь 113 Отдельные зерна феррита выявляются более четко, чем в оптическом микроскопе из-за неодинакового контраста. Детали строения перлита хорошо разрешаются. Перлитные участки образуют с ферритом другой ориентации резкие границы. Зернограничный цементит присутствует в виде отдельных нитей. Светлые круглые частицы являются неметаллическими включениями. Размер зерна феррита приблизительно 100 мкм ² 2000:1
