Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике Глава VIII. ЧУГУНЧугун отличается от стали по составу — более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам — лучшими литейными качествами, малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддается ковке). Чугун дешевле стали. В зависимости от состояния углерода в чугуне различают: белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида (структуры такого чугуна были рассмотрены в гл. VI, п. 4); серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита. Пластинчатая форма графита ухудшает свойства чугуна, поэтому разработаны методы плавки или последующей обработки, при которой изменяется форма графита и улучшаются свойства. В настоящее время получают серый чугун с волокнистой (червеобразной) формой графита. Такой графит получил название вермикулярный [vermiculus (лат.) червь, отсюда и вермишель]; высокопрочный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита; ковкий чугун, получающийся в результате отжига отливок из белого чугуна. В ковком чугуне весь углерод, или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерода отжига). Таким образом, чугун (кроме белого) отличается от стали наличием в структуре графитовых включений, а между собой чугуны различаются формой этих включений. Естественно, что важнейший вопрос теории чугуна — выяснение условий образования графита, так называемой графи тизации. 1. Процесс графитизацииУглерод может существовать в двух аллотропических формах — алмаз и графит. Алмаз — редкая форма существования углерода и в сплавах не встречается. В железоуглеродистых сплавах в свободном виде углерод находится в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая (рис. 160).
Рис. 160. Кристаллическая структура графита
Рис. 161. Изменение свободной анергии жидкого сплава Расстояние между атомами углерода, лежащими в одной плоскости, составляет 0,142 нм, а расстояние между плоскостями равно 0,34 нм. Из четырех валентных электронов атома углерода только один поступает в электронный газ, что обусловливает некоторые, правда, слабо выраженные, металлические свойства графита (например, его электропроводность). Прочность и пластичность графита весьма низки. Высокоуглеродистой фазой в железоуглеродистых сплавах может быть и цементит: его кристаллическое строение и свойства были рассмотрены в гл. VI, п. 3. Рассматривая кристаллическую структуру и состав аустенита, цементита и графита, следует сделать следующий вывод: кристаллические структуры цементита и аустенита близки, тогда как кристаллические структуры аустенита и графита существенно различны (см. рис. 131, б; 133, 160). По составу аустенит и цементит ближе друг к другу, чем аустенит и графит (так, аустенит содержит до 2,14 % С, цементит 6,67 % С, а графит 100 % С). Поэтому образование цементита из аустенита, а также и из жидкости происходит легче, работа образования зародыша, как и необходимые диффузионные изменения, меньше в случае кристаллизации цементита, чем при кристаллизации графита. Следовательно, кинетически из твердого раствора (аустенита) и из жидкости более выгодна кристаллизация цементита, а не графита (точнее, смеси феррит Вместе с тем графит — более устойчивая фаза, а цементит — менее устойчивая; это значит, что смесь феррит Эти два обстоятельства необходимо учитывать при изучении условий образования графита. Если кинетические условия позволяют, то образуются структуры с графитом, если нет, то с цементитом, несмотря на то, что более устойчивой является структура графита; в этом случае образование графита является вторичной реакцией, и графит будет продуктом распада цементита. Как отмечено в гл. II, переход из одного агрегатного состояния в другое, например, из жидкого состояния в твердое, вызван тем, что при изменившихся условиях новое состояние оказывается более устойчивым, обладает меньшим запасом свободной энергии. Ниже температуры Точка Г» перехода жидкости в смесь аустенит Ранее было указано, что аустенито-графитная смесь является термодинамически более устойчивой, чем аустенито-цементитная смесь. Это значит, что если на схеме рис. 161 провести линию, которая будет характеризовать свободную энергию смеси аустенит Исходя из этого, можем сделать следующие выводы. Ниже точки равновесия В интервале 1147—1153°С образование из жидкости аустенито-цементитной смеси термодинамически неосуществимо, и в данных температурных условиях кристаллизации происходит с образованием аустенито-графитной смеси непосредственно из жидкости. Совершенно аналогично следует рассматривать возможность распада аустенита на феррито-цементитную или феррито-графитную смесь. Температура
Рис. 162. Диаграмма Диаграмма железо — углерод, приведенная на рис. 162, соответствует образованию аустенито-цементитных или феррито-цементитных смесей. Образование аустенито-графитных или ферритографитных смесей происходит при более высоких температурах, а линии фазовых равновесий лежат при более высоких температурах. Таким образом, получается диаграмма железо — углерод с двойными линиями (см. рис. 162). Сплошные линии показывают температуру фазового равновесия аустенит (феррит) — цементит, а штриховые — аустенит (феррит) — графит. На этой диаграмме линия Меньшая способность аустенита и жидкости растворять графит, чем цементит, приводит к тому, что линии Образование графита из жидкости или аустенита происходит при охлаждении в узком интервале температур между линиями стабильной и метастабильной диаграмм, т. е. в условиях малых переохлаждений или, следовательно, при малых скоростях охлаждения. Отсюда заключаем, что образование структур серого чугуна непосредственно из жидкости или аустенита происходит при медленном охлаждении, тогда как образование структур белого чугуна происходит при более быстром охлаждении, что многократно подтверждается практикой. Образование графита из жидкости или аустенита — медленно протекающий процесс, так как работа образования зародыша графита велика и требуется значительная диффузия атомов углерода для образования кристаллов графита, также необходим и отвод атомов железа от фронта кристаллизации графита. В чистых железоуглеродистых сплавах непосредственное образование графита из жидкости было бы редко наблюдаемым явлением, если бы не одно обстоятельство, способствующее образованию графита. Дело в том, что жидкость в высокоуглеродистых сплавах (чугу-нах) не является практически совершенно чистой. Обычно чугун после его расплавления «замутнен», т. е. содержит во взвешенном состоянии мельчайшие частицы различных включений и примесей, в том числе и мельчайшие частицы графита. На этих частицах начинается процесс кристаллизации графита, они являются стенкой, на которой оседают атомы углерода, давая кристалл графита. В этом случае работа образования зародыша графита может быть и не больше работы образования зародыша цементита, и поэтому даже ниже температуры равновесия (1147°С) кинетически оказывается возможным образование кристаллов графита. Перегрев чугуна значительно выше температуры плавления приводит к растворению взвешенных частиц, хотя, возможно, и неполному, что затрудняет непосредственное образование графита. Введение различных добавок к чугуну может привести к возникновению дополнительных центров кристаллизации графита, что способствует в ряде случаев образованию графита. В зависимости от условий кристаллизации образуется графит различной формы, что имеет большое значение (об этом будет сказано далее). То, что сказано в отношении кристаллизации графита из жидкости, применимо и для кристаллизации графита из аустенита. Нет ясных экспериментальных доказательств того, что из гомогенного аустенита непосредственно выделяется графит, хотя, согласно приведенным выше термодинамическим положениям (см. рис. 161), это возможно в узком диапазоне температур (в интервале между линиями стабильной и метастабильной систем). Однако если в процессе нагрева произошла частичная графитизация вследствие распада цементита, то возможно отложение углерода на уже имеющихся графитных включениях (при охлаждении ниже линии Таким образом, кроме превращений, приводящих к образованию цементита, которые мы рассмотрели в главе о железоуглеродистых сплавах (гл. VI), возможен распад растворов (жидкости, аустенита) с образованием графита. Кроме рассмотренного ранее процесса образования графита непосредственно при кристаллизации, возможен и другой способ образования графита. Как уже неоднократно указывалось, цементит — неустойчивое соединение и при определенных условиях (определенной температуре) распадается с образованием аустенита и графита или феррита и графита. Для осуществления этого процесса требуется диффузия углерода к центрам кристаллизации графита и самодиффузия железа от мест, в которых графит выделяется. При нормальной комнатной температуре этот процесс практически не протекает, но с повышением температуры резко ускоряется.
Рис. 163. Схема образования структур при графитизации чугуна При температуре ниже линии
Выше линии
Следовательно, в результате графитизации цементита образуется графит и феррит (ниже линии Для лучшего изучения этого сложного и практически важного процесса рассмотрим явление графитизации, привлекая другую схему (рис. 163). Предположим, что охлаждение было достаточно быстрое и получился белый чугун (перлит приводит к графитизации избыточного нерастворившегося цементита. Если процесс закончился полностью, то при высокой температуре структура будет состоять из аустенита При переходе через критическую точку (линия Процесс может протекать не только изотермически, как это показано на схеме, но и при медленном охлаждении. Если графит образовался при кристаллизации частично в виде чешуек, то дальнейшее образование графита будет происходить отложением углерода на ранее выпавших частичках. Этим определится различие во внешней форме графита.
|
1 |
Оглавление
|