Углеродистые стали

Сталь — ледебуритный класс

Стали ледебуритного класса в литом состоянии содержат эвтектику — ледебурит.
 

Стали ледебуритного класса в литом состоянии содержат эвтектику — ледебурит. Все они высоколегированные с большим содержанием углерода. После ковки или прокатки сетка карбидов ледебурита дробится и превращается в отдельные мелкие карбидные зерна. Эти стали применяются в тех случаях, когда требуется высокая твердость и износостойкость.
 

Стали ледебуритного класса — высокоуглеродистые высоколегированные, в литом состоянии они содержат эвтектику — ледебурит, который после прокатки или ковки и отжига раздробляется на отдельные зерна карбидов.
 

Стали ледебуритного класса в литом состоянии содержат эвтектику — ледебурит.
 

Высокохромистые стали являются сталями ледебуритного класса, так как в литом виде первичные карбиды, выделяющиеся во время затвердевания стали, образуют эвтектику — ледебурит. Но при ковке эвтектика разбивается, и в отожженном после ковки состоянии структура должна состоять из сорбитообразного перлита с включениями избыточных карбидов.
 

Высокохромистые стали являются сталями ледебуритного класса, так как в литом виде первичные карбиды, выделяющиеся во время затвердевания стали, образуют эвтектику — ледебурит. Однако при ковке эвтектика разбивается, и в отожженном после ковки состоянии структура должна состоять из сорбитообразного перлита с включениями избыточных карбидов.
 

Высокохромистые стали являются сталями ледебуритного класса, так нак в литом виде первичные карбиды, выделяющиеся во время затвердевания стали, образуют эвтектику — ледебурит. Однако при ковке эвтектика разбивается, и в отожженном после ковки состоянии структура должна состоять из сорбитообрааного перлита с включениями избыточных карбидов.
 

Быстрорежущие стали относятся к сталям ледебуритного класса.
 

Вследствие большого количества карбидов в структуре, стали ледебуритного класса после соответствующей термической обработки обладают высокой твердостью, хорошими режущими свойствами и износостойкостью, поэтому их применяют как инструментальные или особо износоустойчивые стали.
 

Полностью все карбиды растворить при нагреве невозможно, потому что количество их больше предела растворимости ( сталь ледебуритного класса. При последующей закалке аустенит частично превращается в мартенсит и структура закаленной быстрорежущей стали состоит из мартенсита, остаточного аустенита и нерастворившихся карбидов. Последующим отпуском удается превратить большую часть остаточного аустенита в мартенсит.
 

Заметная зависимость прочности от схемы напряженного состояния свойственна почти всем инструментальным сталям, но наиболее четко она выражена у высокотвердых сталей ледебуритного класса.
 

Присутствие в железоуглеродистых сплавах

Чугуны

Ледебуритная смесь возникает, для чистых железоуглеродистых сплавов в интервале концентраций углерода от 2 ,14% до 6,67 %, что соответствует чугунам. Механизм образования ледебурита в доэвтектических (левее точки эвтектики, соответствующей 4,3 углерода, на диаграмме железо-углерод), эвтектических и заэвтектических (правее точки эвтэктики) чугунах различается.

в доэвтектических чугунах

При охлаждении жидкой фазы состава доэвтектического чугуна первым начинает кристаллизоваться аустенит, вследствие чего состав жидкой фазы начинает смещаться в сторону увеличения концентрации углерода (ввиду меньшей растворимости углерода в аустените). По достижении точки эвтектики (4,3 % углерода, 1147 °C) начинается кристаллизация эвтектики — ледебурита. В процессе дальнейшего охлаждения чугуна в интервале температур от 1147 °C до 727 °C аустенит обедняется углеродом и выделяется вторичный цементит. Вторичный цементит, выделяющийся по границам зерен аустенита, сливается с цементитом ледебурита, поэтому практически не виден под микроскопом. При небольшом переохлаждении ниже 727 °C аустенит по эвтектоидной реакции превращается в перлит (разделяется на феррит и цементит). Таким образом, в доэвтектических белых чугунах, при комнатной температуре, ледебурит, как структурная составляющая, присутствует наряду с перлитом и вторичным цементитом.

в эвтектическом чугуне

При охлаждении жидкой фазы состава точки эвтектики до температуры 1147 °C начинается одновременная кристаллизация смеси аустенита и цементита — ледебурита. В дальнейшем аустенит распадается на феррито-цементитную смесь (перлит).

в заэвтектических чугунах

В заэвтектических белых чугунах из жидкости кристаллизуется первичный цементит в виде плоских игл, затем образуется ледебурит. При комнатной температуре эаэвтектический белый чугун содержит две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит.

Ледебурит может образовываться в сталях если в них, во-первых, содержание углерода достаточно велико (свыше 0,7 % (~1,3 %—1,5 %), что соответствует инструментальным сталям), и, во-вторых, при высоком содержании карбидообразующих легирующих элементов (Cr, W, Ti, Mo и др.). Введение этих легирующих элементов, в больших количествах, уменьшает растворимость углерода в аустените и перлите, что, в определённых случаях, и приводит к возможности выделения эвтектики при, сравнительно, малых содержаниях углерода.
Такие стали (например, быстрорежущая) называют ледебуритными.

Структура и свойства

Основная фаза, инициирующая зарождение ледебурита — цементит. На пластинке цементита, зародившейся в эвтектической жидкости, разрастается плоский дендрит аустенита. Далее идет сравнительно быстрый парный рост взаимно проросших кристаллов обеих фаз. Каждая из фаз в пределах одной колонии ледебурита непрерывна, то есть относится к одному кристаллу.

В зависимости от температуры, фазовый состав ледебурита может быть разным. Так в температурном интервале от 1147 °C до 727 °C ледебурит состоит из аустенита и цементита, а при температурах ниже 727 °C — из феррита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Присутствие в железоуглеродистых сплавах

Чугуны

Ледебуритная смесь возникает, для чистых железоуглеродистых сплавов в интервале концентраций углерода от 2 ,14% до 6,67 %, что соответствует чугунам. Механизм образования ледебурита в доэвтектических (левее точки эвтектики, соответствующей 4,3 углерода, на диаграмме железо-углерод), эвтектических и заэвтектических (правее точки эвтэктики) чугунах различается.

в доэвтектических чугунах

При охлаждении жидкой фазы состава доэвтектического чугуна первым начинает кристаллизоваться аустенит, вследствие чего состав жидкой фазы начинает смещаться в сторону увеличения концентрации углерода (ввиду меньшей растворимости углерода в аустените). По достижении точки эвтектики (4,3 % углерода, 1147 °C) начинается кристаллизация эвтектики — ледебурита. В процессе дальнейшего охлаждения чугуна в интервале температур от 1147 °C до 727 °C аустенит обедняется углеродом и выделяется вторичный цементит. Вторичный цементит, выделяющийся по границам зерен аустенита, сливается с цементитом ледебурита, поэтому практически не виден под микроскопом. При небольшом переохлаждении ниже 727 °C аустенит по эвтектоидной реакции превращается в перлит (разделяется на феррит и цементит). Таким образом, в доэвтектических белых чугунах, при комнатной температуре, ледебурит, как структурная составляющая, присутствует наряду с перлитом и вторичным цементитом.

в эвтектическом чугуне

При охлаждении жидкой фазы состава точки эвтектики до температуры 1147 °C начинается одновременная кристаллизация смеси аустенита и цементита — ледебурита. В дальнейшем аустенит распадается на феррито-цементитную смесь (перлит).

в заэвтектических чугунах

В заэвтектических белых чугунах из жидкости кристаллизуется первичный цементит в виде плоских игл, затем образуется ледебурит. При комнатной температуре эаэвтектический белый чугун содержит две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит.

Ледебурит может образовываться в сталях если в них, во-первых, содержание углерода достаточно велико (свыше 0,7 % (~1,3 %—1,5 %), что соответствует инструментальным сталям), и, во-вторых, при высоком содержании карбидообразующих легирующих элементов (Cr, W, Ti, Mo и др.). Введение этих легирующих элементов, в больших количествах, уменьшает растворимость углерода в аустените и перлите, что, в определённых случаях, и приводит к возможности выделения эвтектики при, сравнительно, малых содержаниях углерода.
Такие стали (например, быстрорежущая) называют ледебуритными.

Структура и свойства

Основная фаза, инициирующая зарождение ледебурита — цементит. На пластинке цементита, зародившейся в эвтектической жидкости, разрастается плоский дендрит аустенита. Далее идет сравнительно быстрый парный рост взаимно проросших кристаллов обеих фаз. Каждая из фаз в пределах одной колонии ледебурита непрерывна, то есть относится к одному кристаллу.

В зависимости от температуры, фазовый состав ледебурита может быть разным. Так в температурном интервале от 1147 °C до 727 °C ледебурит состоит из аустенита и цементита, а при температурах ниже 727 °C — из феррита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Фазовая диаграмма Железо — Углерод.

Структура и свойства

Основная фаза, инициирующая зарождение ледебурита — цементит. На пластинке цементита, зародившейся в эвтектической жидкости, разрастается плоский дендрит аустенита. Далее идет сравнительно быстрый парный рост взаимно проросших кристаллов обеих фаз. Каждая из фаз в пределах одной колонии ледебурита непрерывна, то есть относится к одному кристаллу.

В зависимости от температуры, фазовый состав ледебурита может быть разным. Так в температурном интервале от 1147 °C до 727 °C ледебурит состоит из аустенита и цементита, а при температурах ниже 727 °C — из феррита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Доэвтектический чугун

Графитовые образования ( 10 — 100 А), возникающие над линией ликвидуса в доэвтектических чугунах, обладают развитой поверхностью, а свойства такой системы ( жидкость дисперсные образования) зависят от свойств и размеров входящих в нее поверхностей раздела. Пинакоиды графита являются устойчивыми образованиями. Выдержка при 1700 С не устраняет полностью микронеоднородность расплава. Таким образом, микрогетерогенность расплавов чугуна имеет наследственное происхождение, связанное с неполным растворением углерода в процессе плавки. На основании экспериментальных данных можно предположить, что дисперсные выделения графита начинаются выше температуры ликвидуса.
 

Титан понижает температуру эвтектического превращения и способствует переохлаждению чугуна, при содержании до 0 5 % в доэвтектическом чугуне способствует графитизации и выделению графита в виде мелких пластин. Титан является хорошим раскислителем, способствует равномерному распределению в чугуне графита. Титан нейтрализует действие хрома в чугуне, являясь модификатором, вследствие чего отпадает необходимость в повышении содержания кремния. Титан способствует повышению механических свойств, особенно прочности высокоуглеродистых чугунов. При содержании 0 18 — 0 20 % титан с углеродом образуют карбиды и препятствуют графитизации. Титан используют как модификатор при производстве ковкого чугуна, но для отливок из высокопрочного чугуна Ti нежелательная примесь, так как препятствует образованию шаровидного графита.
 

В зависимости от концентрации углерода в сплаве чугуны разделяются на доэвтектические, эвтектиче: кие и заэвтектические: доэвтектические чугуны содержат 2 14 — 4 3 % С и имеют структуру перлит — Ь цементит; эвтектические чугуны содержат 4 3 % С и состоят из ледебурита; заэвтектический чугун содержит более 4 3 % С, имеет структуру ледебурит цементит.
 

Рассмотрим в соответствии с диаграммой состояния железо — углерод фазовые превращения, происходящие при охлаждении из жидкого состояния в доэвтектическом чугуне, содержащем 3 % С.
 

Такой же распавшийся аустенит наблюдается также и на избыточных ( темных) участках, содержащихся в большем или меньшем количестве в доэвтектических чугунах ( фиг.
 

Жидкотекучесть чугуна характеризует заполнение литейной формы и зависит главным образом от химического состава и температуры заливки С, Si, Р и Си повышают жидкотекучесть доэвтектического чугуна, a S и Сг понижают ее; влияние Мп и Ni на жидкотекучесть незначительно.
 

Точка С ( 4 3 % углерода) представляет собой эвтектическую точку и разделяет сплавы, содержащие от 2 до 6 67 % углерода ( чугуны), на две группы: сплавы, содержащие менее 4 3 % С, — доэвтектические чугуны, а сплавы, содержащие более 4 3 % С, — заэвтектические чугуны. Следует подчеркнуть, что в машиностроении практическое значение имеют доэвтектические и эвтектические чугуны, а заэвтектические чугуны не применяются.
 

Эвтектический состав чугунов с 30 — 35 % Сг приходится на — 2 5 % С. Доэвтектический чугун имеет структуру твердого раствора хромистого феррита и эвтектических карбидов, количество которых зависит от содержания углерода.
 

Твердая фаза в области, лежащей между линиями EGF и PSK с содержанием углерода более 2 14 %, соответствующая белым чугунам, имеет различный состав. Доэвтектические чугуны ( 2 14 — 4 3 % углерода) состоят из аустенита и ледебурита, эв тектические ( 4 3 %) из ледебурита и заэвтектические ( 4 3 — 6 67 %) из цементита и ледебурита. При этом, в отличие от сталей, температура плавления чугунов ( линия EGF) постоянна и не зависит от содержания в них углерода.
 

Чугуны по структурным свойствам подразделяют на доэвтек-тические и заэвтектические относительно эвтектического состава 4 3 % С. Доэвтектические чугуны имеют перлитно-ледебуритную структуру, а заэвтектические — цементитно-ледебуритную.
 

Во всех чугунах имеется аустенит. В доэвтектических чугунах имеется свободный аустенит ( см. сплав / — /, фиг.
 

Наконец, в доэвтектических чугунах первичные выделения аустенита меняют свою концентрацию при охлаждении от точки 3 до точки 4 ( сплав / CJ от 2 до 0 8 % С, и в точке 4 происходит перлитное превращение. Структура такого доэвтектического чугуна состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита. Структура доэвтектического чугуна показана на фиг.
 

Наконец, в доэвтектических чугунах первичные выделения аусте-нита меняют свою концентрацию при охлаждении от точки 3 до точки 4 ( сплав KJ) от 2 14 до 0 8 % С, и в точке 4 происходит перлитное превращение. Структура такого доэвтектического чугуна состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита.
 

Структура и свойства

Основная фаза, инициирующая зарождение ледебурита — цементит. На пластинке цементита, зародившейся в эвтектической жидкости, разрастается плоский дендрит аустенита. Далее идет сравнительно быстрый парный рост взаимно проросших кристаллов обеих фаз. Каждая из фаз в пределах одной колонии ледебурита непрерывна, то есть относится к одному кристаллу.

В зависимости от температуры, фазовый состав ледебурита может быть разным. Так в температурном интервале от 1147 °C до 727 °C ледебурит состоит из аустенита и цементита, а при температурах ниже 727 °C — из феррита и цементита.

Ледебурит обладает высокими твёрдостью и хрупкостью.

Фосфидная эвтектика

Фосфидная эвтектика в эмалируемом чугуне должна быть в виде отдельных включений, а не в виде непрерывной сетки, что может придавать отливкам повышенную хрупкость. Кроме того установлено, что цементит, граничащий с фосфидной эвтектикой, разлагается при более высоких температурах.
 

Фосфидная эвтектика представляет собой твердую структурную составляющую, количество которой зависит от содержания фосфора в чугуне. При содержании фосфора до 0 3 % предел прочности чугуна несколько повышается, а при дальнейшем повышении содержания фосфора наблюдается снижение механических свойств чугуна. В то же время фосфор улучшает литейные свойства чугуна — его жидкотекучесть.
 

Фосфидная эвтектика в противоположность ферриту и перлиту долгое время не взаимодействует с реактивом. Если количество фосфидной эвтектики достаточно, то по ее расположению можно различать глобулярную и дендритную кристаллизацию.
 

Фосфидная эвтектика весьма тверда и хрупка; ее наличие в виде изолированных включений бывает желательно в случаях, когда требуется повысить износостойкость чугуна.
 

Фосфидная эвтектика является самой твердой структурной составляющей чугуна. Чугун с наличием фосфидной эвтектики наиболее благоприятен для притиров, так как мелкие включения фос-фидной эвтектики являются абразивным материалом и ускоряют процесс доводки.
 

Фосфидная эвтектика, как исключение, может выделяться в стальном фасонном литье. Образование при этом двойной эвтектики связано с сильным торможением равновесия вследствие недостаточной диффузии фосфора во время кристаллизации.
 

Расположение фосфидной эвтектики по границам эвтектических колоний ( так называемых зерен) в сером чугуне позволяет легко определять размер последних путем обычного травления спиртовым раствором азотной кислоты. В этом случае границы эвтектических зерен выявляются в виде светлой сетки в результате слабой травимости фосфидной эвтектики и прилегающих к ней участков перлита, обогащенного фосфором.
 

Микротвердость фосфидной эвтектики составляет 1168 — 1348 кГ / мм2, а микротвердость графита 57 — 119 кГ / ммг.
 

При кристаллизации фосфидная эвтектика затвердевает в последнюю очередь и между ней и матрицей чугуна всегда имеется большое количество микропор, которые играют роль буферов при объемных изменениях чугуна. Поэтому, несмотря на то, что фосфидная эвтектика при нагреве расширяется в меньшей мере, чем матрица, особенно при температуре 650 С она не препятствует значительному расширению чугуна в период графитизации, благодаря наличию большого количества пор, находящихся по границе раздела матрица-фосфидная эвтектика. В связи с этим присутствие 0 2 % Р в чугуне не влияет на объемный эффект при эмалировании. Повышая жидкотекучесть, фосфор улучшает литейные свойства и качество поверхности чугуна, однако отрицательное его воздействие на механические свойства является причиной ограничения его содержания в отливках ответственного назначения.
 

Фосфор образует легкоплавкие фосфидные эвтектики. Он ухудшает механические свойства чугуна.
 

Повышенное содержание фосфидной эвтектики, а также перлита и графита увеличивает износоустойчивость колец.
 

Твердые участки фосфидной эвтектики повышают общую твердость и износоустойчивостЕ чугуна.
 

При отсутствии фосфидной эвтектики в структуре быстро затвердевшего чугуна или при низком содержании фосфора в чугуне размер эвтектического зерна может быть определен по количеству скоплений феррита в центре колоний, образующихся в результате обратной эвтектической ликвации кремния, а также другими специальными методами.
 

Заэвтектический чугун

Заэвтектические чугуны ( 4 3 — 6 67 % С) начинают затвердевать с понижением температуры по линии ликвидус CD, когда в жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы цементита. Концентрация углерода в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус. При температуре 1 147 С жидкость достигает эвтектической концентрации 4 3 % С ( точка С) и затвердевает с образованием ледебурита.
 

Заэвтектические чугуны ( 4 3 — 6 67 % С) начинают затвердевать с понижением температуры по линии ликвидус CD, когда в жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы цементита. Концентрация углерода в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус.
 

Заэвтектические чугуны, содержащие углерод в пределах от 4 3 до 6 67 %, в результате первичной кристаллизации в структуре имеют кристаллы первичного цементита и ледебурита.
 

Заэвтектические чугуны ( 4 3 — 6 67 % С) начинают затвердевать с понижением температуры по линии ликвидус CD, когда в жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы цементита. Концентрация углерода в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус. При температуре 1147 С жидкость достигает эвтектической концентрации 4 3 % С ( точка С) и затвердевает с образованием ледебурита.
 

Заэвтектические чугуны ( 4 3 — 6 67 % С) начинают затвердевать с понижением температуры до линии ликвидус CD, когда в жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы цементита. Концентрация углерода в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус. При температуре 1147 С жидкость достигает эвтектической концентрации 4 3 % С ( точка С) и затвердевает с образованием ледебурита.
 

Заэвтектический чугун при 1147 С состоит из ледебурита и первичного цементита.
 

Заэвтектические чугуны ( 4 3 — 6 67 % С) начинают затвердевать с понижением температурь ] по линии ликвидус CD, когда в жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы цементита. Концентрация углерода в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус. При температуре 1147 С жидкость достигает эвтектической концентрации 4 3 % С ( точка С) и затвердевает е образованием ледебурита. После затвердевания заэвтектические чугуны состоят из первичного цементита и ледебурита.
 

Заэвтектический чугун при 1130 С состоит из ледебурита и первичного цементита.
 

Структура заэвтектического чугуна, состоящая из ледебурита и цементита ( большие продолговатые светлые образования), показана на фиг.
 

В заэвтектических чугунах кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов первичного цементита в интервале температур точек 5 — 6 при этом состав жидкой фазы изменяется согласно линии DC. Первичная кристаллизация заканчивается эвтектическим превращением, с образованием ледебурита.
 

В заэвтектических чугунах — обычных и модифицированных — кристаллы первичного графита служат базой для зарождения эвтектических колоний.
 

В заэвтектических чугунах ( 4 3 % С) кристаллизация начинается с выделения графита или цементита. При полном срастании его ветвей образуются сплошные пла-сти. По мере выделения высокоуглеродистой фазы жидкость обедняется углеродом и при эвтектической температуре приобретает эвтектический состав С или С. При дальнейшем охлаждении жидкость пересыщается уже не только углеродом, но и железом.
 

В заэвтектических чугунах ничего отличного от описанного в превращениях не происходит, так как первичный цементит не имеет превращений.
 

Присутствие в железоуглеродистых сплавах

Чугуны

Ледебуритная смесь возникает, для чистых железоуглеродистых сплавов в интервале концентраций углерода от 2 ,14% до 6,67 %, что соответствует чугунам. Механизм образования ледебурита в доэвтектических (левее точки эвтектики, соответствующей 4,3 углерода, на диаграмме железо-углерод), эвтектических и заэвтектических (правее точки эвтэктики) чугунах различается.

в доэвтектических чугунах

При охлаждении жидкой фазы состава доэвтектического чугуна первым начинает кристаллизоваться аустенит, вследствие чего состав жидкой фазы начинает смещаться в сторону увеличения концентрации углерода (ввиду меньшей растворимости углерода в аустените). По достижении точки эвтектики (4,3 % углерода, 1147 °C) начинается кристаллизация эвтектики — ледебурита. В процессе дальнейшего охлаждения чугуна в интервале температур от 1147 °C до 727 °C аустенит обедняется углеродом и выделяется вторичный цементит. Вторичный цементит, выделяющийся по границам зерен аустенита, сливается с цементитом ледебурита, поэтому практически не виден под микроскопом. При небольшом переохлаждении ниже 727 °C аустенит по эвтектоидной реакции превращается в перлит (разделяется на феррит и цементит). Таким образом, в доэвтектических белых чугунах, при комнатной температуре, ледебурит, как структурная составляющая, присутствует наряду с перлитом и вторичным цементитом.

в эвтектическом чугуне

При охлаждении жидкой фазы состава точки эвтектики до температуры 1147 °C начинается одновременная кристаллизация смеси аустенита и цементита — ледебурита. В дальнейшем аустенит распадается на феррито-цементитную смесь (перлит).

в заэвтектических чугунах

В заэвтектических белых чугунах из жидкости кристаллизуется первичный цементит в виде плоских игл, затем образуется ледебурит. При комнатной температуре эаэвтектический белый чугун содержит две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит.

Ледебурит может образовываться в сталях если в них, во-первых, содержание углерода достаточно велико (свыше 0,7 % (~1,3 %—1,5 %), что соответствует инструментальным сталям), и, во-вторых, при высоком содержании карбидообразующих легирующих элементов (Cr, W, Ti, Mo и др.). Введение этих легирующих элементов, в больших количествах, уменьшает растворимость углерода в аустените и перлите, что, в определённых случаях, и приводит к возможности выделения эвтектики при, сравнительно, малых содержаниях углерода.
Такие стали (например, быстрорежущая) называют ледебуритными.