Чугун и сталь: различия

Два важных отличия чугунов от сталей с высоким содержанием углерода:
1) при нагреве чугун не превращается в 100 %-ный аустенит;
2) избыточная фаза в аустените чугуна – это графит, а в стали — цементит.

Кристаллизация стали при содержании углерода менее 2,1 %

Чтобы понять первое отличие чугуна от стали, рассмотрим еще раз затвердевание железоуглеродистого сплава с содержанием углерода 1,8 % (рисунок 1). При затвердевании этой стали жидкость в междендритной области кристаллизуется последней и при снижении температуры до 1148 ºС содержание углерода в ней возрастает до 4,3 %  . При этом из жидкости образуется эвтектическая смесь аустенита и цементита Fe3C. Однако при охлаждении до 1100 ºС этот цементит может растворяться в дендридах аустенита. Поэтому при медленном охлаждении до этой температуры 1100 ºС в стали может образовываться стопроцентно однофазный аустенит (см. кружок на рисунке 1).

fazovaya-diagramma-zhelezo-uglerodРисунок 1 – Железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 1,8 %
на фазовой диаграмме железо-углерод.

Кристаллизация стали при содержании углерода более 2,1 %

Если же, однако, содержание углерода в исходном сплаве поднять выше, чем 2,1 % — например, 2,5 % — то уже нет возможности получить полностью однофазный аустенит без частиц цементита. Сплав с содержанием углерода 2,5 % при охлаждении до 1100 ºС находится в двухфазной области фазовой диаграммы на рисунке 2 и состоит из смеси аустенита и цементита Fe3C (см. кружок на рисунке 2). Как и чугун этот сплав нельзя превратить нагревом до точки плавления 1148 ºС в 100 %-ный аустенит.

Графит в чугунах

Графит является кристаллической формой чистого углерода, который очень мягок и легко разрушается. Его присутствие в железе обычно ведет к резкому снижению вязкости в серых чугунах, но не в чугунах с шаровидным графитом.

Диаграмма на рисунке 1 не является, строго говоря, равновесной диаграммой и более того, ее правильно называть диаграммой железо-цементит, так она предсказывает, что при большом содержании углерода в аустените образуется именно цементит. Существует еще одна фазовая диаграмма – диаграмма железо-графит, которая по-настоящему является равновесной.

Фазовая диаграмма железо-графит-цементит

Рисунок 2 показывает наложение двух этих диаграмм. Пунктирными линиями представлена диаграмма железо-графит. Заметим, что если эвтектика железо-цементит происходит при температуре 1148 ºС, то эвтектика железо-графит – при 1154  ºС, то есть на 6 градусов выше. Это означает, что: 1) в интервале температур от 1149 до 1154 ºС из жидкого раствора углерода в железо возможно образование графита и 2) графит является более устойчивой фазой. Поэтому в железоуглеродистых сплавах цементит Fe3C является метастабильной фазой.

fazovaya-diagramma-zhelezo-grafit-cementitРисунок 2 – Комбинированная фазовая диаграмма
железо-графит и железо-цементит

При охлаждении чистого высокоуглеродистого аустенита графитная фаза может образовываться при более высокой температуре (линия Аgr), чем цементитная фаза (линия Аcm). В сталях образование графита бывает редко – первом всегда формируется метастабильный цементит, особенно при наличии в стали карбидообразущих элементов, таких как хром. Движение атомов для образования графита – из жидкости или из аустенита более сложно, чем для образования метастабильного цементита. Поэтому метастабильный цементит образуется первым и является устойчивым для большинства промышленных изделий.

Графитизация стали и графит в чугуне

Графит имеет возможность образовываться и в сталях – в этом случае сталь называют графитизированной. Графитизация в стали иногда случается, если ее держат при высоких температурах месяцы и годы. Так, например, происходит на стальных паропроводах. В целом образование графита в сталях не имеет практического значения, но является очень важным для термической обработки чугунов.

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007