Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:

высокая теплопроводность;

высокая электропроводность и др.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

Ковкие чугуны получают из белых чугунов пу­тем графитизирующего отжига (томление). Схема отжи­га белого чугуна на ковкий показана на рис.

Рисунок 5 – График режимов отжига белого чугуна на ковкий

Отжиг проводится в две стадии. Сначала отливки бе­лого чугуна нагревают в те­чение 20-25 ч до темпера­туры 950-970 °С. Во время выдержки (15 ч) при этой температуре протекает пер­вая стадия графитизации, г. е. распад цементита, вхо­дящего в состав ледебурита (A + Fe₃C), и установление стабильного равновесия аустенит + графит. В результате распада цементита образуется хлопьевидный графит. За­тем отливки медленно охлаждают (в течение 6-12 ч) до температуры 720 °С. При охлаждении происходит вы­деление из аустенита вторичного графита и рост графи­товых включений. По достижении температуры 720°С дают вторую длительную выдержку, при которой проис­ходит распад цементита, входящего в перлит, на феррит и графит. Вторая стадия графитизации длится около 30 ч, и после ее завершения структура чугуна состоит из графита и феррита. Излом ферритного чугуна бархатис­то-черный ввиду большого количества графита.

Если вторую стадию графитизации не проводят, то получают ковкий чугун со структурой графит + перлит. Излом такого чугуна светлый.

Для ускорения отжига белого чугуна на ковкий при­нимают различные меры: чугун модифицируют алюми­нием (реже бором или висмутом), повышают температу­ру нагрева перед разливкой, проводят перед отжигом закалку, повышают температуру первой стадии графити­зации (до 1080 °С) и т. д.

Ферритные ковкие  чугуны КЧ 37-12 и КЧ 35-10 используют для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках (картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы и т.д.), ферритные ковкие чугуны КЧ 30-6 и КЧ 33-8 – для менее ответственных деталей (головки, гайки, хомутки, фланцы и т.д.). Твердость ферритного чугуна 163 НВ.

Для получения структуры троостит + мартенсит в стали У8 необходимо нагреть ее до температуры выше точки А₁, затем охладить так, чтобы пересечь кривую начала превращения аустенита в перлит в области троостита и, минуя кривую конца превращения, перейти в область мартенсита.

При нагреве стали У8 выше А₁ перлит переходит в аустенит. При охлаждении со скоростью ниже критической (см. рис.) образуется ферритно-цементитная структура – троостит и мартенсит.

В зависимости от соотношения содержаний троостита и мартенсита в троостомартенсите (от скорости охлаждения) твердость стали может меняться от 300 НВ (при 100 % троостита) до 650 НВ (при 100 % мартенсита).

Рисунок 4 – Диаграмма изотермического

превращения аустенита стали У8

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидко­го раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллиза­ции сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчи­вается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раст­вора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67 % углерода, при темпера­турах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристал­лизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР_4,3Л[А_2,14+Ц_6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит + ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_0,8П[Ф_0,03+Ц_6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит + перлит и заэвтектоидные – перлит + цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

а)                                                               б)

Рисунок 3: а – диаграмма железо-цементит,

б – кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,45% углерода

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф,

где  С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 0,45%С, называется доэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – феррит + перлит.