Как определить структуру чугуна: разбор по шагам

Дано: отливка со стенкой 30 мм, химический состав 3,4 % C, 2,2 % Si, 0,1 % P, расплав залит без модифицирования. Найти: класс сплава по углеродному эквиваленту, поле структурной диаграммы Маурера, металлическую основу, форму и количество графита, вид излома и ожидаемую марку.

Структуру чугуна определяют в три приёма: считают углеродный эквивалент, находят точку состава на структурной диаграмме и проверяют вывод по излому готовой отливки. Ответ: сплав доэвтектический, $C_{\text{э}} = 4{,}17\ \%$, точка попадает в поле II диаграммы Маурера, то есть это серый перлитный чугун с пластинчатым графитом; графита 2,60 % по массе (около 8,6 % по объёму шлифа), излом матово-серый, расчётная прочность 225 МПа, марка около СЧ20. Калькулятор сверху двигает точку по диаграмме и пересчитывает всё это под любой состав и любую толщину стенки.

Решение по шагам

Шаг 1. Считаем углеродный эквивалент. Кремний и фосфор не растворяются в цементите, а вытесняют углерод из раствора, поэтому их пересчитывают в «эквивалентный» углерод с коэффициентом одна треть:

$$C_{\text{э}} = C + \frac{Si + P}{3} = 3{,}4 + \frac{2{,}2 + 0{,}1}{3} = 3{,}4 + 0{,}77 = 4{,}17\ \%$$

Эвтектика системы железо-цементит лежит при 4,3 % углерода, значит сплав доэвтектический: кристаллизация начинается с выделения аустенита. Степень эвтектичности $S_{\text{э}} = 4{,}17 / 4{,}3 = 0{,}969$, состав почти эвтектический.

Шаг 2. Находим поле диаграммы Маурера. Диаграмма построена в координатах «кремний - углерод», её границы почти прямые с наклоном минус единица, поэтому их удобно записать через сумму $C + Si$. У нас $3{,}4 + 2{,}2 = 5{,}6\ \%$, а поправка на стенку 30 мм нулевая: для такой толщины диаграмма и построена.

Сумма 5,6 % попадает в середину поля II: серый чугун на перлитной основе. Это самая ходовая зона, в ней лежат станины, корпуса и блоки цилиндров.

Шаг 3. Определяем металлическую основу и связанный углерод. В поле II графитизация проходит только на стадии кристаллизации, а эвтектоидное превращение идёт по метастабильной схеме: аустенит распадается на перлит. Значит, в основе 100 % перлита, и связанного углерода в ней столько же, сколько в перлите: $C_{\text{св}} = 0{,}8\ \%$, это точка S диаграммы состояния. Как читается сама диаграмма, разобрано в задаче про построение диаграммы железо-углерод.

Шаг 4. Считаем, сколько углерода ушло в графит. Весь углерод сверх связанного выделился свободным:

$$C_{\text{гр}} = C - C_{\text{св}} = 3{,}4 - 0{,}8 = 2{,}60\ \%$$

По массе это немного, но графит втрое легче металла ($2{,}2$ против $7{,}8$ г/см³), поэтому в объёме он занимает куда больше:

$$V_{\text{гр}} = \frac{2{,}60 / 2{,}2}{2{,}60 / 2{,}2 + 97{,}40 / 7{,}8} \cdot 100\ \% = \frac{1{,}18}{13{,}67} \cdot 100\ \% \approx 8{,}6\ \%$$

Почти десятая часть площади шлифа занята мягким графитом. Отсюда низкая прочность серого чугуна на растяжение при вполне приличной прочности на сжатие.

Шаг 5. Определяем форму графита. Состав отвечает за то, выделится ли графит вообще, а форму задаёт обработка расплава. Модифицирования не было, значит графит растёт пластинками: это классический серый чугун.

Шаг 6. Проверяем вывод по излому. Контрольный скол подтверждает расчёт: излом матово-серый, мелкозернистый, пачкает пальцы графитом, блестящих граней нет. Светлые кристаллические участки на изломе означали бы, что реальная скорость охлаждения выше принятой.

Шаг 7. Оцениваем прочность и марку. Для серого чугуна с пластинчатым графитом литейщики пользуются эмпирической связкой с эвтектичностью:

$$\sigma_{\text{в}} = 1000 - 800\,S_{\text{э}} = 1000 - 800 \cdot 0{,}969 \approx 225\ \text{МПа}$$

По ГОСТ 1412 ближайшая марка снизу - СЧ20 с пределом прочности не менее 200 МПа; как устроена маркировка, разобрано в статье про марки серого чугуна.

Ответ: доэвтектический серый перлитный чугун с пластинчатым графитом, поле II диаграммы Маурера; графита 2,60 % по массе и около 8,6 % по объёму, излом матово-серый, $\sigma_{\text{в}} \approx 225$ МПа, марка около СЧ20.

Углеродный эквивалент и диаграмма Маурера: откуда берутся числа

Коэффициент одна треть подобран не на глаз: кремний сдвигает эвтектическую точку влево примерно втрое слабее, чем такой же процент углерода, а фосфор действует похоже. Эквивалент приводит трёхкомпонентный сплав к двойной системе железо-цементит, где работают привычные 2,14 и 4,3 %.

Диаграмма Маурера отвечает на другой вопрос: по какой схеме пойдёт кристаллизация. Углерод либо выделяется графитом (стабильная система железо-графит), либо связывается в цементит (метастабильная железо-цементит), а кремний как сильный графитизатор тянет сплав к первому варианту.

Вторая ось влияния - скорость охлаждения, и на классической диаграмме её нет: она построена для пробы со стенкой около 30 мм. Расширение Гренера и Клингенштейна добавляет толщину стенки, что удобно свести к поправке к той же сумме $C + Si$: тонкая стенка охлаждается быстрее, графит не успевает зародиться, структура сдвигается к белой. Калькулятор двигает границы полей именно так, и та же плавка в стенке 5 мм даёт приведённую сумму 4,59 % и попадает в поле IIa - половинчатый чугун с отбелом по кромке.

Обратный случай так же нагляден: в стенке 100 мм сумма поднимается до 6,28 %, точка уходит в поле IIb, перлита остаётся около 72 %, графита становится 2,82 %, прочность падает до 212 МПа. Отсюда правило литейщика: пробу на структуру режут из той стенки, которая работает.

Как определить структуру чугуна по излому

Расчёт даёт прогноз, а излом - факт: по нему различают все виды чугуна за секунды. Скол делают по надрезу на свежем металле, окисленная поверхность врёт.

Цвет объясняется просто: серым излом делают графитные пластины, вдоль которых идёт трещина, а белый означает, что трещина шла по цементиту. Поэтому строение белого чугуна и его хрупкость - одно явление с разных сторон.

Крупная графитная пластина делает скол грубозернистым и темнее, мелкая завихрённая - почти бархатным. Дальше структуру уточняют на шлифе: форму и размер графита оценивают по ГОСТ 3443 сравнением с эталонными шкалами, а основу выявляют травлением ниталем, после которого перлит темнеет, а феррит остаётся светлым. Доля тёмного поля и есть доля перлита, которую калькулятор берёт из диаграммы.

Форма графита: четыре вида чугуна из одного состава

Состав определяет, сколько будет графита, а форму задаёт технология: из одной плавки получаются разные материалы.

Пластинчатый графит вырастает сам: это серый чугун с отличным демпфированием, но пластины работают внутренними надрезами и режут прочность. Как форма графита связана со свойствами, разобрано в статье про структуру серого чугуна.

Шаровидный графит получают модифицированием магнием перед заливкой: включение сворачивается в шарик, концентраторов напряжений почти не остаётся, прочность растёт втрое и появляется пластичность. Для 3,5 % C и 2,4 % Si с перлитной основой калькулятор даёт около 700 МПа, то есть марку ВЧ70; подробности - в статье про высокопрочный чугун с шаровидным графитом.

Хлопьевидный графит при кристаллизации не образуется вовсе: отливку получают белой и отжигают, цементит распадается на углерод отжига. Состав для ковкого чугуна нарочно берут бедный (2,4–2,9 % C, около 1,2 % Si), чтобы отливка гарантированно вышла белой: при 2,6 % C, 1,2 % Si и стенке 12 мм приведённая сумма 3,28 % попадает в поле I, и после отжига выходит ковкий чугун марки КЧ около КЧ50-5. Для состава из задачи отжиг на ковкий бессмысленен: графит уже выделился при кристаллизации. Металлическую основу, в отличие от формы графита, меняют и после литья - об этом статья про термообработку чугуна.

Частые ошибки

• Путают состав с эквивалентом. В диаграмму Маурера идут фактические C и Si по отдельности, а эквивалент нужен только для класса сплава. Подставить эквивалент вместо углерода значит сдвинуть точку вправо и приписать отливке лишний графит.
• Забывают про толщину стенки. Диаграмма построена для пробы 30 мм, и для тонкостенной отливки вывод «серый чугун» по составу ничего не гарантирует: кромки уйдут в отбел.
• Сравнивают массовую долю графита с картиной шлифа. 2,60 % по массе выглядят пустяком, но по объёму это 8,6 %: на шлифе сравнивают объёмную долю.
• Приписывают форму графита составу. Шаровидный графит не получить подбором кремния: нужен магний. И наоборот, ковкий чугун из серой отливки не выйдет никаким отжигом.
• Берут связанный углерод равным нулю. В перлитной основе связано 0,8 % углерода, и это заметно меняет расчёт графита; нулём величину считают только для ферритного чугуна.
• Оценивают излом на окисленной поверхности. Ржавая корка и наклёп у пилы меняют цвет скола, и половинчатый чугун легко принять за серый.

FAQ

Чем структура чугуна отличается от структуры стали? Граница проходит по 2,14 % углерода: выше неё в сплаве появляется эвтектика. У стали при комнатной температуре есть только феррит, перлит и вторичный цементит, у чугуна к ним добавляется свободный графит или ледебурит.

Можно ли определить структуру чугуна только по марке? Частично. Буквы дают форму графита: СЧ - пластинчатый, ВЧ - шаровидный, КЧ - хлопьевидный, ЧВГ - вермикулярный. Цифры дают прочность, а по ней косвенно и основу: высокие марки перлитные, низкие чаще феррито-перлитные.

Почему в одной отливке структура разная? Стенки остывают с разной скоростью: тонкая кромка проходит интервал кристаллизации быстро и отбеливается, массивный узел успевает дать крупный графит с ферритной оболочкой. По той же причине кривую охлаждения строят для конкретной точки отливки, а не для всей формы: разбор есть в задаче про построение кривой охлаждения сплава.

Что делать, если излом получился пёстрым? Пёстрый излом означает поле IIa: часть углерода выделилась графитом, часть осталась в цементите. Лечится повышением кремния на 0,3–0,5 %, модифицированием ферросилицием или замедлением охлаждения.

Коротко

1. Считаем углеродный эквивалент $C_{\text{э}} = C + (Si + P)/3$: для 3,4 % C, 2,2 % Si и 0,1 % P это 4,17 %, меньше 4,3 %, значит чугун доэвтектический.
2. Складываем фактические C и Si и вносим поправку на толщину стенки: 3,4 + 2,2 = 5,6 % при стенке 30 мм.
3. По сумме находим поле диаграммы Маурера: 5,6 % - это поле II, серый чугун на перлитной основе, связанного углерода 0,8 %.
4. Остаток углерода даёт графит: 3,4 − 0,8 = 2,60 % по массе, около 8,6 % по объёму; форма пластинчатая, раз расплав не модифицировали.
5. Проверяем по излому (матово-серый) и оцениваем прочность: $\sigma_{\text{в}} = 1000 - 800 \cdot 0{,}969 \approx 225$ МПа, то есть марка около СЧ20.