Феррит, цементит, перлит, ледебурит, графит.

Твердый раствор внедрения углерода в Fе_а называется фер­ритом (Ф). Растворимость углерода в Fе_α невелика и составляет от 0,01% при температуре О °С до 0,02% -- при температуре 727 °С. Феррит имеет низкую твердость (НB 80) и прочность, но высокую пластичность (б ≈ 50%).

Твердый раствор внедрения углерода в Fе_γ называется аустенитом (А). Растворимость углерода в Fе_γ значительно больше, чем в Fе_α, и достигает 2,14% при температуре 1147 °С. Аустенит в железоуглеродистых сплавах существует только при высоких температурах. Он пластичен и имеет твердость НВ 160…200.

Химическое соединение железа с углеродом называется це­ментитом (Ц).

Формула карбида железа Fе_зС. В цементите содержится 6,67% углерода. Он имеет высокую твердость (НВ 800), но прак­тически нулевую пластичность (δ≈1%). Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем большей твердостью и мень­шей пластичностью они обладают.

Механическая смесь феррита и цементита называется пер­литом (Л). Перлит содержит 0,8% С и является продуктом рас­пада аустенита при температуре 727 °С (НВ 200...250; δ= 10...20%, δ_в = 600...650 МПа).

Механическая смесь аустенита и цементита при температуре выше 727 °С и перлита и цементита при температуре ниже 727 ⁰С называется ледебуритом (Л). Ледебурит образуется при кристал­лизации расплава, содержащего 4,3% углерода (НВ 700; δ = 2%) при 1147°С.

Диаграмма состояния Fе-Fе_зС представлена на рис.2.

Сплавы железа с углеродом, содержа­щие углерода до 0,025%, называют технически чи­стым железом. Его структура состоит из светлых зерен феррита с хорошо видными темными границами (рис. 3, а). Железоуглеродистые сплавы, содержащие уг­лерода от 0,025 до 2,14%, называются сталями. По структуре в равновесном состоянии стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтпектоидные стали содержат от 0,025 до 0,8% угле­рода. Структура этих сталей состоит из светлых зерен фер­рита и темных зерен перлита (рис3, б, в). С уве­личением содержания углерода уменьшается количество феррита, возрастает количество перлита (феррит + цемен­тит).

Эвтектоидная сталь содержит 0,8% углерода и состоит только из перлита, имеющего пластинчатое строение (рис3, д).

Заэвтектоидные стали содержат от 0,8 до 2,14 % угле­рода. Их структура состоит из перлита и вторичного це­ментита (рис. 3, е). При медленном охлаждении вторич­ный цементит располагается по границам зерен перлита в виде сетки или ручейков белого цвета. Чтобы отличить цементит от феррита, применяют специальный реактив — пикрат натрия, который окрашивает цементит в темный цвет и совершенно не действует на феррит. Выделение вто­ричного цементита по границам зерен перлита нежела­тельно, так как такая структура обладает повышенной хрупкостью и плохо обрабатывается резанием. Чем больше содержание углерода, тем более широкой получается цементитная сетка и меньше образуется перлита.

Рисунок 2- Диаграмма состояния железо-цементит

Линия АСD- ликвидус . Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии .

Линия AECF- солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.

Область существования феррита ограничена точками. Область существования феррита ограничена

точками ОQPG, аустенита – GSЕА. На линии DFRL образуется цементит, на ЕСF-ледебурит,

на РSK- перлит.

С увеличением содержания углерода в углеродистых сталях, находящихся в равновесном состоя­нии, меняется их структура и фазовый состав: уменьшает­ся количество мягкого феррита, увеличивается количество твердого цементита и в соответствии с этим возрастают твердость НB, предел прочности σ, уменьшаются пла­стичность δ. При содержа­нии углерода свыше 1,0% предел прочности снижается,

По структуре стали, на­ходящейся в равновесном со­стоянии, можно приближенно определить содержание углерода, а затем установить марку стали. Для этого на микроструктуре, рассматриваемой под микроскопом, ориентировочно определяют площади, занимаемые перли­том, ферритом, цементитом. Принимают содержание уг­лерода в феррите равным нулю, в 100% перлита — 0,8%, а в 100% цементита— 6,67% С.

Например, пусть в доэвтектоидной стали перлит за­нимает 25% всей площади, феррит — 75%. Тогда содержание углерода в стали можно определить из пропорции:

100% перлита —0,8% С,

20% перлита —х%

Такое содержание углерода имеет консрукционная сталь марки 20. Откуда Х

а) б) в)

г ) д ) е)

Рисунок 3-Микроструктура стали в зависимости от содержания углерода:

а)-0,01%С; б) -0, 1%С; в) -0, 3%С; г)- 0, 4%С; д)- 0, 8%С; е)- 1, 2%С;

По химическому составу чугуны отличаются от сталей более высоким содержанием углерода и постоянных примесей (S,P,Si,Mn,К ).Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь . Однако его хорошие технологические свойства (литейные , обрабатываемость режущим инструментом, изностойкость) делают чугун пригодным для изготовления различных деталей с/х машин. В зависимости от состояния углерода чугуны подразделяются на две группы : чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита (Fe₃C), и чугуны , в которых весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита.

Риснок 4 - Микроструктура белых чугунов: а — доэвтектическнй; б-эвтектический; в — эаэвтектический.

К первой группе относятся белые чугуны.

По структуре белые чугуны делятся па следующие.

Доэвтектические (2,14—4,3% С). Структура включает три составляющие — перлит, ледебурит, вторичный цементит(рис.4,а). Перлит наблюдается под микроскопом в виде темных зерен, цементит — светлых полос, а ледебурит — в виде участков с темными точками. Каждый такой участок представляет собой смесь мелких округлых или вытянутых темных зерен перлита, равномерно расположенных в белой цементитвой основе.

Эвтектический чугун (4,3% С) состоит из ледебурита, представляющего собой равномерную механическую смесь перлита с цементитом (рис. 4, б).

Заэвтектический чугун (4,3—6,67% С) характеризуется двумя структурными составляющими — первичным це­ментитом и ледебуритом (рис. 4, в). Получению такой структуры в белых чугунах способствует повышенное содержание в них марганца, пониженное — кремния и срав­нительно быстрое охлаждение.

Характерная особенность структуры белого чугуна — наличие в ней весьма твердых и малопластичных состав­ляющих: цементита и ледебурита. Поэтому белые чугуны очень хрупки и тверды, плохо поддаются обработке режу­щим инструментом.

Ко второй группе чугунов относятся серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Структура их представляет собой: металлическую основу, пронизанную графитными включениями. От структуры металлической основы, кото­рая выявляется после травления шлифа (феррит-перлитная, перлитная или ферритная), зависят такие свойства, как предел прочности при сжатии, твердость, износостой­кость. Такие свойства чугуна, как пластичность, сопро­тивление растяжению, износ, а также износостойкость, зависят главным образом от формы, размеров, количества и характера расположения графитовых включений. Прочность графита по сравнению с металлической основой ничтожна, его присутствие равносильно надрезу — пустоте. Поэтому, чем равномернее расположены графитовые включения в металлической основе, чем они мельче и их форма ближе к округлой, тем меньше будет разобщена металличе­ская основа чугуна и прочностные свойства будут выше. В соответствии с отмеченным, качество чугунов оценивается не только структурой металлической основы, но и фор­мой, размером и характером распределения в ней графи­товых включений. Однако наличие графита, снижая ме­ханические свойства чугуна, повышает его износостой­кость и способность поглощать вибрацию.

В чугунах встречаются три формы графитовых вклю­чений:пластинчатая(рис.4,а,б),хлопьевидная(рис.4,в)и шаровидная(рис.4,г).

Пластинчатая (лепестковая) форма графита свойственна серым чугунам (рис4.а,б) Такую форму можно рассматривать, как трещины

надрезы), создающие кон­центрацию напряжений в перлитной, феррито-перлитной или ферритной металлической основе (рис. 4, д, е, ж).

Рисунок 5 -Формы графита и микроструктура чугунов:

а — пластинчатая; б — пластинчатая размельченная; в — шаровидная;

г-хлопьевидная; д — серый чугун перлитный;е- серый чугун феррито-перлитный ;

Рисунок 6 -Формы графита и микроструктура чугунов:

; д — серый чугун перлитный; ж — серый чугун ферритный; з -высокопрочный чугун феррито-перлитный ;и- ковкий чугун феррито-перлитный; к — ковкий чугун ферритный.

Пластинчатая форма графита резко снижает прочностные свойства чугуна. Получению серых чугунов способствует медленное охлаждение отливок и наличие в них повышен­ного содержания кремния и пониженного марганца. Из таких чугунов делают блоки цилиндров, картеры, махо­вики и др.

Шаровидная форма графита свойственна высоко­прочному чугуну. Она получается двойным мо­дифицированием серого чугуна: добавкой в жидкий чугун незадолго перед заливкой двух модификаторов: ферроси­лиция, для создания большого количества центров графи­тизации, и магния или церия, для получения шаровидной формы графита (рис. 5, в). Структура высокопрочного чугуна состоит из перлитной или перлито-ферритной ме­таллической основы (рис. 5,з), в которой располагаются графитовые включения в форме шаров. Такая форма гра­фита не нарушает сплошности металлической основы, и это способствует повышению прочности и пластичности. Вы­сокопрочный чугун — хороший заменитель литой стали и применяется для изготовления коленчатых и распредели­тельных валов, гильз цилиндров автомобильных двигате­лей. В сельскохозяйственном машиностроении часто при­меняют высокопрочные чугуны марок ВЧ50-2; ВЧ45-5.

Хлопьевидная форма графпта (рис. 5, г) имеет место в ковком чугуне, который получается специальным графитизирующим отжигом (томлением) белых доэвтектических чугунов, содержащих от 2,2 до 3,2% С. Такая форма графита способствует повышению пластиче­ских свойств — чугун лучше переносит удары, обладает достаточной вязкостью.

В автотракторном и сельскохозяйственном машино­строении применяют ковкие чугуны марок КЧ37-12; КЧ35-10; КЧ50-4 . Из них изготавливают картеры редукто­ров, рулевых механизмов, ступицы колес, педали и др.