Презентация для студентов НПО и СПО "Диаграмма Fe-C"

Диаграмма Fe-C

• Диаграмма Fe-C - одна из важнейших диаграмм состояния, так как по объему производства стали и чугуны составляют более 90% выплавляемого в стране металла.
• Целью данной работы является ознакомление с типичными структурами сталей и чугунов, формирующимися в процессе равновесной (медленной) кристаллизации, а также со структурами серого, ковкого и высокопрочного чугунов.

СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА СТАЛИ И ЧУГУНЫ

• Основными сплавами железа являются его сплавы с углеродом - стали и чугуны . В основе такого разделения лежит структурная диаграмма метастабильного равновесия системы Fe- Fe 3 C.
• Сплавы с концентрацией С Е - максимальной растворимости углерода в железе) называются сталями , а сплавы с концентрацией С 2,14 вес.% - чугунами . В результате различного содержания углерода в сплаве образуется разная структура, что определяет различие в механических и физико-химических свойствах сплавов, а следовательно, и в их назначении.

СТАЛИ

• Структура стали и ее свойства зависят от содержания углерода, скорости охлаждения и последующей термической обработки.
• Cтали подразделяют на доэвтектоидные и заэвтектоидные относительно эвтектоидного состава с 0,8% С. В первом случае образуется перлитно-ферритная структура, а во втором случае - перлитно-цементитная .

Техническое железо (до 0,04% углерода)

• Структура стали с минимальным содержанием углерода (ниже предела растворимости углерода в железе при 20 0 С, равном 0,006%) представляет собой феррит, имеющий полиэдрическое (зернистое) строение, без избыточных выделений. Небольшое (до 0,025%) увеличение содержания углерода вызывает образование второй фазы – цементита, который присутствует в структуре в относительно небольших количествах в виде третичного цементита. Третичный цементит выделяется из феррита при охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода в  –железе и располагается главным образом по границам зерен феррита, что снижает пластичность и вязкость низкоуглеродистой стали.

Структура т ехнического железа

• Светлые полиэдры твердого раствора феррита (Ф) и выделения избыточного цементита (Ц) по границам зерен.
• Структурные составляющие:
• феррит и цементит третичный (Ф+Ц III ).
• Фазы:
• феррит (  -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C)

х 100

К гл. 3, рис. (Micro 1)

х 300

Твердость по Бринеллю 80-100 НВ

Доэвтектоидная сталь

• Увеличение содержания углерода сверх 0,025% вызывает образование перлита – двухфазной структуры, формирующейся при эвтектоидном превращении. Перлит состоит из двух фаз: феррита и цементита и имеет суммарное содержание углерода 0,8%. Морфология перлита в доэвтектоидных и эвтектоидных сталях определяется условиями проведения отжига. Количество перлита в доэвтектоидных сталях возрастает с увеличением содержания углерода.

Структура низкоуглеродистой доэвтектоидной стали (0,2% углерода)

• Светлые (белые) участки твердого раствора феррита (Ф) и темные – перлита (П) пластинчатого строения.
• Структурные составляющие:
• феррит и перлит (Ф+П).
• Фазы:
• феррит (  -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C)

х 300

Твердость по Бринеллю 110-120 НВ

Структура с реднеуглеродистой доэвтектоидной стали марки 45 (0,45% углерода)

• С ростом содержания углерода увеличивается количество темной перлитной структурной составляющей.
• Структурные составляющие:
• феррит и перлит (Ф+П).
• Фазы:
• феррит (  -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C)

х 300

Твердость по Бринеллю 140-160 НВ

Структура д оэвтектоидной стали с 0,6% углерода

• Основная структурная составляющая – перлит с небольшими участками феррита. С ростом доли перлитной составляющей возрастает и общая твердость стали.
• Структурные составляющие:
• феррит и перлит (Ф+П).
• Фазы:
• феррит (  -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C)

х300

Твердость по Бринеллю 160-170 НВ

Эвтектоидная сталь

• В стали, содержащей 0,8% углерода, получается чисто перлитная структура, поскольку этот состав является, согласно диаграмме равновесия, эвтектоидным. По морфологии различают пластинчатый перлит с чередующимися пластинками цементита и феррита и перлит зернистого строения, в котором округлые цементитные зерна расположены равномерно в ферритной матрице. Сталь со структурой зернистого перлита отличается большей пластичностью и обрабатываемостью резанием. Такую структуру стараются получить в заэвтектоидной стали.

Структура эвтектоидной стали марки У8

• Структура пластинчатого перлита (П). Тонкие пластины цементита (Ц) на светлом поле твердого раствора феррита (Ф).
• Структурные составляющие:
• перлит (П)
• Фазы:
• феррит (  -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C).

Х 300

Твердость по Бринеллю 180-200 НВ

Структура пластинчатого перлита при различном увеличении

а )

Хорошо видны чередующиеся пластинки феррита и цементита ( а) и ( б ), а также место стыка бывших аустенитных зерен ( б ).

X 1000

б )

X 5000

Структура эвтектоидной стали после сфероидизирующего отжига (структура зернистого перлита)

а)

• На светлом поле твердого раствора феррита (Ф) округлые включения цементита (Ц).
• Структурные составляющие и фазы те же, что и выше.

х 250

б)

х 5000

Твердость по Бринеллю 160-180 НВ

Заэвтектоидная сталь

Заэвтектоидная сталь характеризуется избыточным содержанием цементита, который может выделяться по границам зерен перлита. Цементитная сетка является значительным дефектом заэвтектоидной стали, приводящим к снижению ее прочности и вязкости. При правильном выполнении теплового режима обработки стали (прокатки, ковки, отжига) вторичный цементит присутствует в виде мелких зерен, сравнительно равномерно расположенных в перлите.

Структура заэвтектоидной стали марки У12 (1,2% углерода)

• Структура состоит из пластинчатого перлита (П), окруженного светлой сеткой избыточного цементита (Ц), выделившегося по границам бывшего аустенитного зерна.
• Структурные составляющие:
• перлит и цементит вторичный (П+Ц II ).
• Фазы: ф еррит (  -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C).

х 300

х 300

Твердость по Бринеллю 200-220 НВ

Структура заэвтектоидной стали с 1,3% углерода

• Структура отличается от предыдущей большей толщиной цементитной сетки.
• Структурные и фазовые составляющие те же, что и выше.

х 300

Твердость по Бринеллю 200-220 НВ

A 3 . а) доэвтектоидная литая сталь, сильный перегрев; феррит расположен по границам перлитных зерен с острыми ответвлениями под углом 60 и 120 о С. б) заэвтектоидная литая сталь; светлые иглы избыточного цементита расположены в перлите под углом 60 и 120 о С ." width="640"

Дефектные структуры

1 . Структура Видманштетта . Название применяется ко всем игольчатым структурам, иглы которых ориентированы в нескольких определенных направлениях относительно решетки исходной фазы, но чаще всего, для игольчатого феррита, полученного быстрым охлаждением от температуры A 3 .

а) доэвтектоидная литая сталь, сильный перегрев; феррит расположен по границам перлитных зерен с острыми ответвлениями под углом 60 и 120 о С.

б) заэвтектоидная литая сталь; светлые иглы избыточного цементита расположены в перлите под углом 60 и 120 о С .

2. Текстура – ориентированное расположение зерен вдоль направления действия нагрузки.

а)

Низкоуглеродистая сталь с 0,1% С (а) и 0,25 % С (б) после холодной прокатки (обжатие 60%).

Зерна перлита и феррита вытянуты вдоль направления деформации.

б)

ЧУГУНЫ

• В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

• белый чугун , в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида;
• серый чугун , в котором углерод частично или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита;
• высокопрочный чугун , в котором углерод частично или полностью находится в свободном состоянии виде шаровидного графита;
• ковкий чугун , в котором углерод частично или полностью находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита.

• Химический состав и, в частности, содержание углерода не характеризуют полностью структуру и свойства чугуна, которые зависят также от процесса выплавки, условий охлаждения отливки и режима термической обработки. Свойства чугуна определяются его структурой.

Белый чугун

• Белые чугуны характеризуются тем, что весь углерод в них находится в связанном состоянии в форме карбида железа - цементита (Fe 3 C). По химическому составу и структуре чугуны делят на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Доэвтектический белый чугун

• В структуре доэвтектического белого чугуна наряду с аустенитом, образованным при первичной кристаллизации, и вторичным цементитом присутствует хрупкая эвтектика – ледебурит, количество которой возрастает с увеличением содержания углерода. В связи с тем, что аустенит, в том числе и входящий в состав ледебурита, при температуре А 1 распадается на перлит, аустенит и ледебурит при температуре

Структура низкоуглеродистого д оэвтектического белого чугуна с 3,3% углерода

• Темные участки распавшегося (на перлит) избыточного твердого раствора аустенита (А) и пестрая эвтектика –распавшийся ледебурит - между ними. Внутри распавшегося аустенита видны светлые выделения вторичного цементита (Ц II ).
• Структурные составляющие:

аустенит распавшийся (перлит), ледебурит распавшийся и цементит вторичный (А р +Л р +Ц II ).

• Фазы: Феррит (  -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C). При температуре выше А 1 фазы: аустенит (  -фаза) и цементит.

х 300

Структура д оэвтектического белого чугуна с 3,6% углерода

• С ростом содержания углерода увеличилась доля ледебурита распавшегося в структуре чугуна.
• Структурные и фазовые составляющие те же, что и выше.

х 300

Твердость по Бринеллю 400-450 НВ

Структура д оэвтектического белого чугуна с 4,0% углерода

• Большое увеличение позволяет увидеть в нутри распавшегося аустенита светлые выделения вторичного цементита (Ц II ) в виде сетки по границам зерен.
• Структурные составляющие:

аустенит распавшийся (перлит), ледебурит распавшийся и цементит вторичный (А р +Л р +Ц II ).

• Фазы: ф еррит (  -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C). При температуре выше А 1 фазы – аустенит (  -фаза) и цементит.

х 600

Эвтектический чугун (4,3% углерода)

• Структура состоит из эвтектики (распавшегося ледебурита – Лр), представляющей собой равномерно распределенные темные участки распавшегося твердого раствора аустенита (А) и светлые участки цементита (Ц).
• Структурные составляющие:
• эвтектика (Л р ).
• Фазы:
• феррит (  -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C). При температуре выше А 1 - аустенит и цементит

х 300

Твердость по Бринеллю 500-520 НВ

Структура э втектического чугуна (примеры строения ледебурита)

х 300

х 300

Заэвтектический чугун

• Структура заэвтектического чугуна состоит из эвтектики (ледебурит) и первичного цементита, выделяющегося при кристаллизации из жидкости в виде крупных пластин.

Заэвтектический чугун (5% углерода)

• Белые пластинки избыточного первичного цементита (Ц I ) и пестрая эвтектика (ледебурит распавшийся – Л р ) между ними.
• Структурные составляющие:
• эвтектика (ледебурит распавшийся) и цементит первичный (Л р +Ц I ).
• Фазы: ф еррит (  -фаза) и цементит (карбид железа Fe 3 C).

х 100

х 700

Твердость по Бринеллю 630-650 НВ

Серый , высокопрочный и ковкий чугуны

• В сером, высокопрочном и ковком чугунах углерод может содержаться как в свободном (графит) так и в связанном состоянии (в металлической основе).
• Свойства таких чугунов определяются как металлической основой, так и включениями графита, вкрапленными в эту основу. Для характеристики их структуры необходимо определять размеры и форму графитовых включений, характер их распределения в металлической основе, а также структуру металлической основы.
• Металлическая основа по структуре может принадлежать к одному из трех видов: ферритная, перлитная и феррито-перлитная.

Формы графита в чугуне с невыявленной металлической основой

а)

а)Однородно распределенные пластинки графита без предпочтительных ориентаций.Такой графит имеется в серых чугунах и обусловлен незначительным эвтектическим перерохлаждением.

б)Розеточный графит, обусловлен большими скоростями охлаждения. Часто встречается в тонокостенных отливках и на поверхности отливокс графитом типа (а).

б)

в)

в) Шаровидный графит, получается в чугунах, модифицированных магнием и церием.Шаровидный графит состоит из множества кристаллов, которые растут наружу из общего центра.

г) Хлопьевидный графит, встречается в ковких чугунах, образуется в результате распада цементита при высокой температуре.

д) Переохлажденный междендритный графит в виде большого числа очень маленьких пластинок, ориентированных по осям роста кристаллов во время затвердевания. Такая форма обусловлена замедленным зарождением графита в связи с переохлаждением.

г)

д)

Серый чугун

• Получил свое название по виду излома, который имеет серый цвет из-за включений графита. Характерная особенность структуры серых чугунов, определяющая многие его свойства, - пластинчатая форма графита. Наиболее широкое применение получили доэвтектические чугуны, содержащие 2,4-3,8 % С.
• Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, в основном, графитовой составляющей. Чем меньше графитовых включений, тем они мельче и больше изолированы друг от друга, тем выше прочность чугуна. При одинаковом характере графитовых включений чугун с преобладающим количеством перлита обладает более высокими механическими свойствами, чем чугун с преобладающим количеством феррита.
• Используется для изготовления малонагруженных деталей машин, станков, тракторов, арматуры и пр.
• Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, первые указывают предел прочности при растяжении, вторые – предел прочности при изгибе.

Структура серого чугуна на перлитной основе

:

• Серые включения графита (Г) пластинчатой формы расположены в пластинчатом перлите (П). В этом чугуне 0,7-0,8 % углерода находится в виде цементита, входящего в состав перлита.

• Структурные составляющие:
• перлит и графит (П+Г).
• Фазы:
• феррит (  -фаза), цементит (карбид железа Fe 3 C) и графит (свободный углерод).

х 500

х 300

х 300

Твердость по Бринеллю 150 НВ

Структура серого чугуна на феррито- перлитной основе

Пластинки графита окружены светлыми зернами феррита и темными перлита. В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1% С.

Структурные составляющие:

• перлит, феррит и графит (П+Ф+Г).
• Фазы: ф еррит (  -фаза), цементит (карбид железа Fe 3 C) и графит (свободный углерод).

х 300

Твердость по Бринеллю 200 НВ

Серый чугун на ферритной основе

Пластинки графита расположены в ферритной матрице.Вэтом случае весь углерод находится в виде графита.

• Структурные составляющие: феррит и графит (Ф+Г).
• Фазы: ф еррит (  -фаза) и графит (свободный углерод).

х 300

Твердость по Бринеллю 150 НВ

Ковкий чугун

• Ковким называется чугун с хлопьевидным графитом. Его получают из белого чугуна в результате длительного графитизирующего отжига . Хлопьевидный графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность металлической основы. Ковкий чугун применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках, используют его, главным образом, для тонокостенных деталей.
• Маркируют ковкий чугун КЧ и цифрами, первые две из которых указывают предел прочности при растяжении,а вторые – относительное удлинение.

ФОРМА ГРАФИТА В КОВКОМ ЧУГУНЕ

Хлопьевидный графит. Возникает в результате распада аустенита при высокой температуре

Очертания графитовых включений могут быть совершенно неправильным, крабообразными или хлопьевидными.

Твердость по Бринеллю 200 НВ

Структура ковкого чугуна на перлитной основе

• Ферритный ковкий чугун обладает наибольшей пластичностью.Хлопьевидный графит распределен в ферритной матрице.
• Структурные составляющие:
• перлит и графит (П+Г).
• Фазы: ф еррит (  -фаза), цементит (карбид железа Fe 3 C) и графит (свободный углерод).

Твердость по Бринеллю 250 НВ

Структура ковкого чугуна на ферритной основе

Серые хлопьевидные включения графита на фоне ферритной матрицы.

• Структурные составляющие: феррит и графит (Ф+Г).
• Фазы: ф еррит (  -фаза) и графит (свободный углерод).

Твердость по Бринеллю 150 НВ

Высокопрочный чугун

• Высокопрочный чугун получают присадкой в жидкий чугун небольших добавок щелочных или щелочноземельных металлов, чаще всего, магния в количестве 0,03-0,07 %. В результате графит в процессе кристаллизации приобретает шаровидную форму, значительно меньше ослабляет металлическую основу, что способствует повышению механических свойств.
• Высокопрочные чугуны применяют для детелей станочного, кузнечно-прессового оборудования.
• Высокопрочный чугун маркируют буквами ВЧ и цифрами,указывающими предел прочности при растяжении и относительное удлинение.

Структура высокопрочного чугуна на перлитной основе

• Структурные составляющие:
• перлит и графит (П+Г).
• Серые круглые включения графита (Г) расположены в пластинчатом перлите (П).
• Фазы: ф еррит (  -фаза), цементит (карбид железа Fe 3 C) и графит (свободный углерод).

Твердость по Бринеллю 250 НВ

Структура в ысокопрочного, на феррито-перлитной основе (0,64% связанного углерода)

• Серые округлые включения графита (Г), расположенные в феррито-перлитной матрице. Графит окружен светлыми участками твердого раствора феррита (Ф) полиэдрической структуры. Темные участки – пластинчатый перлит.
• Структурные составляющие:
• феррит, перлит и графит (Ф+П+Г)
• Фазы: ф еррит (  -фаза), цементит (карбид железа Fe 3 C) и графит (свободный углерод).

х 400

Твердость по Бринеллю  200 НВ

Структура высокопрочногочугуна на ферритной основе

Серые шаровидные включения графита на фоне ферритной матрицы.

• Структурные составляющие: феррит и графит (Ф+Г).
• Фазы: ф еррит (  -фаза) и графит (свободный углерод).

Твердость по Бринеллю 150 НВ

Фосфидная эвтектика

При повышенном содержании фосфора (до 0,4-0,5%) в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики: в серых чугунах – двойной ( Fe 3 Р – аустенит), а в белых – тройной (Fe 3 C - Fe 3 Р – аустенит). Фосфидная эвтектика улучшает литейные свойства чугуна, но при этом возрастает хрупкость отливок.

0,8 %)в таком чугуне находится в цементите. Структурные составляющие: перлит и графит и ледебурит(П+Г+Л). Фазы: ф еррит (  -фаза), цементит (карбид железа Fe 3 C) и графит (свободный углерод). х 400" width="640"

Половинчатый чугун

Повышенное содержание марганца (свыше 1,25-1,4 %) и ускоренное охлаждение препятствует процессу графитизации и приводит к образованию в поверхностных слоях отливок структуры белого или половинчатого чугуна. Большая часть углерода ( 0,8 %)в таком чугуне находится в цементите. Структурные составляющие:

• перлит и графит и ледебурит(П+Г+Л).
• Фазы: ф еррит (  -фаза), цементит (карбид железа Fe 3 C) и графит (свободный углерод).

х 400