Железоуглеродистые сплавы

сплавы (далее Ж)сплавы с на основе Варьируя состав и структуру, получают сплавы с разнообразными свойствами, что делает их универсальными материалами. Различают чистые сплавы (со следами примесей), получаемые в небольших количествах для исследовательских целей, и технические сплавы - стали (до 2%С) и чугуны (св. 2% С), мировое производство которых измеряется сотнями млн. т. Технические сплавы содержат примеси. Их делят на обычные ( Р, сера , , , Н, , О), легирующие ( , , , , , , Со, и др.) и модифицирующие ( , , и др.). В большинстве случаев основой, определяющей строение и свойства сталей и чугунов, является система - С. Начало научному изучению этой системы положили русские металлурги П. П. Аносов (1831) и Д. К. Чернов (1868). Аносов впервые применил микроскоп при исследовании сплавы, а Чернов установил их природу, обнаружил дендритную и открыл в них превращения в твердом состоянии. Из зарубежных ученых, способствовавших созданию диаграммы состояния - С сплавов, следует отметить Ф. Осмонда ( У. Ч. Робертса-Остена (Англия), Б. Розебома (Голландия) и П. Геренса (
Фазовые состояния сплавы при разных составах и температурах описываются диаграммами стабильного (рис. 1, а) и метастабильного (рис. 1, б) равновесий. В стабильном состоянии в сплавы встречаются жидкий раствор в (Ж), три твердых раствора в полиморфных модификациях (табл. 1)

Табл. 1.- фазы сплавов

Название фазы	Природа фазы	Структура
a-феррит	Твердый раствор внедрения в a-	Объемноцен трированная кубическая
Аустенит	Твердый раствор внедрения в g-	Гранецентри рованная кубическая
d-феррит	Твердый раствор внедрения в d-	Объемноцен трированная кубическая
Графит	Полиморфная модификация	Гексогональная слоистая
Цементит	Карбид ₂	Ромбическая

a-раствор (a-феррит), g-раствор (аустенит) и d-раствор (d-феррит), и графит (Г). В метастабильном состоянии в сплавы встречаются Ж, a-, g-, d-растворы и карбид ₃ - цементит (Ц). Области устойчивости сплавы в однофазных и двухфазных состояниях указаны на диаграммах. При некоторых условиях в сплавы могут существовать в равновесии и три фазы. При температурах НВ возможно перитектич. равновесие d + g + Ж, E``` - эвтектическое стабильное равновесие g + Ж + Г; при ECF - эвтектическое метастабильное равновесие g + Ж + Ц; при "" - эвтектоидное стабильное равновесие a + g + Г", при - эвтектоидное метастабильное равновесие a + g + Ц. Диаграммы а и б вычерчиваю и в одной координатной системе (рис. 1, в). Такая сдвоенная диаграмма наглядно характеризует относительное смещение однотипных линий равновесия и облегчает анализ сплавы, содержащих стабильные и метастабильные фазы одновременно.

Основной причиной появления в сплавы высокоуглеродистой метастабильной фазы в виде цементита являются трудности формирования графита. Образование графита в жидком растворе Ж и твердых растворах a и g связано с практически полным удалением из участков сплава, где зарождается и растет графит. Оно требует значительных передвижений. Если сплавы охлаждаются медленно или длительно выдерживаются при повышенных температурах, успевают удалиться из мест, где формируется графит, и тогда возникают стабильные состояния. При ускоренном охлаждении и недостаточных выдержках удаление малоподвижных задерживается, почти все они остаются на месте, и тогда в жидких и твердых растворах зарождается и растет цементит. Необходимая для этого диффузия легкоподвижных при повышенных температурах не требующая больших выдержек, успевает происходить и при ускоренном охлаждении. Помимо основных фаз, указанных на диаграммах, в технических сплавы встречаются небольшие количества и др. фаз, появление которых обусловлено наличием примесей. Часто встречаются сульфиды (, ), фосфиды (₃), окислы и примесей (, , ₂₃, ₂₃, ₂ и др.), нитриды (, ) и др. неметаллические фазы. Точечными линиями на диаграммах отмечены точки наблюдающиеся в сплавы в связи с превращениями феррита (768°С) и цементита (210°С).

Строение сплавы определяется составом, условиями затвердевания и структурными изменениями в твердом состоянии. В зависимости от содержания сплавы делят на стали и чугуны. Стали с концентрацией меньшей чем эвтектоидная " и (табл. 2), называют доэвтектоидными, а более высокоуглеродистые - заэвтектоидными. Чугуны с концентрацией меньшей чем эвтектическая ¹ и С, называют доэвтектическими, а более высокоуглеродистые - заэвтектическими.

Табл. 2.- Координаты точек диаграмм - С

Точка	Температура, °С	Концентрация %
A	1539	0,000
	1494	0,50
С"	1152	4,26
С	1145	4,30
	1400	0,000
Н	1494	0,10
J	1494	0,16
G	910	0,000
E"	1152	2,01
E	1145	2,03
"	738	0,68
	723	0,80
"	738	0,023
	723	0,025

Затвердевание сталей, содержащих до 0,5% С, начинается с выпадения 8-раствора обычно в виде дендритов. При концентрациях до 0,1% заканчивается образованием однофазной структуры d-раствора. Стали с 0,1-0,5% С после выделения некоторого количества 8-раствора испытывают перитектическое превращение Ж + d -> g. В интервале концентраций 0,10-0,16% С оно приводит к полному затвердеванию, а в интервале 0,16-0,50% С завершается при охлаждении до температуры линии IE. В сплавы с 0,5-4,26% С начинается с выделения g-раствора также в виде дендритов. Стали полностью затвердевают в интервале температур, ограниченном линиями ВС и IE, приобретая однофазную аустенитную структуру. Затвердевание же чугунов, начинаясь с выделения избыточного (первичного) g- раствора, заканчивается эвтектическим распадом остатка жидкости по одному из трех возможных вариантов: Ж R g + Г, Ж R g + Ц или Ж R (+ Г + Ц. В первом случае получаются т. н. серые чугуны, во втором - белые, в третьем - половинчатые. В зависимости от условий графит выделяется в виде разветвленных (рис. 2, ж) или шаровидных (рис. 2, з) включений, а цементит - в виде монолитных пластин (рис. 2, и) или проросших разветвленным аустенитом (т. н. ледебурит, рис. 2, к). В сплавы, содержащих более 4,26-4,3% С, переохлажденного ниже линии D¹¹ расплава в условиях медленного охлаждения начинается с образования первичного графита разветвленной или шаровидной формы. В условиях ускоренного охлаждения (при переохлаждениях ниже линии DC) образуются пластины первичного цементита (рис. 2, л). При промежуточных скоростях охлаждения выделяются и графит, и цементит. заэвтектических чугунов, так же как и доэвтектических, завершается распадом остатка жидкости на смесь g- раствора с высокоуглеродистыми фазами.

Строение затвердевших сплавы существенно изменяется при дальнейшем охлаждении. Эти изменения обусловлены полиморфными превращениями уменьшением растворимости в нем графитизацией цементита. Структура может изменяться в твердом состоянии в результате процессов рекристаллизации твердых растворов, сфероидизации (из неравноосных становятся равноосными), коалесценции (одни цементита укрупняются за счет других) высокоуглеродистых фаз.

Полиморфные превращения сплавы связаны с перестройками гранецентрированной кубической (ГЦК) решетки g- и объемноцентрированной решетки (ОЦК) a- и d-

В зависимости от условий охлаждения и нагревания полиморфные превращения твердых растворов происходят разными путями. При небольших переохлаждениях (и перегревах) имеет место т. н. нормальная перестройка решеток осуществляющаяся в результате неупорядоченных индивидуальных переходов от исходной фазы к образующейся; она сопровождается диффузионным перераспределением между фазами. При больших скоростях охлаждения или нагревания полиморфные превращения твердых растворов происходят бездиффузионным (мартенситным) путем. Решетка перестраивается быстрым сдвиговым механизмом в результате упорядоченных коллективных смещений без диффузионного перераспределения между фазами. Например, при закалке сплавы в воде g- раствор переходит в a- раствор того же состава. Этот пересыщенный a- раствор называют мартенситом (рис. 2, е). Превращения при промежуточных условиях могут совмещать в себе сдвиговую перестройку решетки с диффузионным перераспределением (бейнитное превращение). Формирующиеся при этом структуры существенно различны. В первом случае образуются равноосные с малым числом дефектов твердого раствора (рис. 2, а). Во втором и третьем - игольчатые и пластинчатые (рис. 2, е) с многочисленными двойниками и линиями скольжения. Структура сплавы изменяется также и в связи с изменением растворимости в a- и g- при охлаждении и нагревании. При охлаждении растворы пересыщаются и выделяются высокоуглеродистых фаз (цементита и графита). При нагревании имеющиеся высокоуглеродистые фазы растворяются в a- и g-фазах.

Зарождение и рост цементита в пересыщенных растворах происходит обычно с большей скоростью, чем образование графита, и поэтому сплавы часто метастабильны. В зависимости от переохлаждения цементит, выделяющийся из твердого раствора, может иметь вид равноосных пограничной сетки, пластин и игл (рис. 2, г, д). При высокотемпературных выдержках цементита сфероидизируются; может происходить и процесс коалесценции. Если сплавы, содержащие цементит, длительно выдерживать при повышенных температурах, происходит графитизация - зарождается и растет графит, а цементит растворяется, Этот процесс используется при производстве изделий из графитизированной стали и ковкого чугуна (рис. 2, м). Важную роль при формировании структуры сплавы в твердом состоянии играет эвтектоидный распад т-раствора на a-раствор и высокоуглеродистую фазу. При очень малых переохлаждениях образуются феррит и графит (рис. 2, м), при небольшом увеличении переохлаждения - феррит и сфероидизированный цементит (рис. 2, г), затем (рис. 2, в) смесь феррита и цементита приобретает пластинчатое строение перлита, тем более тонкое, чем больше переохлаждение. При персохлаждениях, измеряемых сотнями градусов, эвтектоидный распад подавляется, и g- раствор превращается в мартенсит (рис. 2, е). Строение сплавы можно изменять в широких пределах. Основными методами управления структурой сплавы являются изменения состава, условий затвердевания, пластической деформации, термической и термомеханической обработок. Меняя фазовый состав, величину, форму, распределение и дефектность можно широко варьировать и свойства сплавы Например, важнейшие при эксплуатации сплавы механические свойства изменяются в следующих пределах: твердость от 60 до 800 ; предел прочности 2·10⁴-3,5·10⁶ н/см² (2·10³-3,5·10⁵ кгс/см²); относительное удлинение от 0 до 70%.

Лит.: Д. К. Чернов и наука о металлах, под ред. Н. Т. Гудцова, Л.-М., 1950; Бочвар А. А., Металловедение, 5 изд., М., 1956; Лившиц Б. Г., Металлография, М., 1963; Тыркель Е., История развития диаграммы - пер. с польск., М., 1968; Бунин К. П., Баранов А. А., Металлография, М., 1970.

К. П. Бунин.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.