Перлитное превращение в углеродистых сталях протекает при температуре

Обновлено: 08.05.2024

Внимательно всмотревшись в излом металла, ясно можно увидеть, что он представляет собой нагромождение (совокупность) отдельных кристаллов (зерен), крепко сцепленных между собой. Мельчайшей частицей металла, как и всякого другого вещества, является атом. В элементарных ячейках, из которых состоят кристаллы железа, атомы расположены в определенном порядке. Это расположение изменяется в зависимости от температуры нагрева. При любой температуре ниже 910° атомы в ячейках кристаллов располагаются в виде куба, образуя так называемую кристаллическую решетку альфа-железа. В этом кубе восемь атомов расположены в углах решетки и один в центре.

При нагреве свыше 910° происходит перегруппировка атомов и кристаллическая решетка представляет собою форму куба с четырнадцатью атомами; условно ее называют решеткой гамма-железа. При температуре 1390° решетка гамма-железа перестраивается в решетку с девятью атомами, носящую название дельта-железо. Эта решетка отличается от решетки альфа-железа несколько большим расстоянием между центрами атомов и сохраняется до момента расплавления железа, т. е. до 1535° (Рис. 1).

Перестройка кристаллической решетки при медленном охлаждении происходит в обратном порядке: дельта-железо при 1390° превращается в гамма-железо, а гамма-железо при 898° превращается в альфа-железо.

строение кристаллической решетки

Рис. 1. Строение кристаллической решетки: а — альфа и дельта железа; б — гамма железа.

Критические точки превращения

На рис.2 показаны кривые охлаждения и нагревания чистого железа. Как видно из этих кривых, в процессе перестройки одной решетки в другую, а также при расплавлении и затвердевании железа происходят температурные остановки, являющиеся результатом выделения дополнительного количества тепла при охлаждении и поглощении дополнительного количества тепла при нагревании.

Кривые охлаждения и нагрева чистого железа

Рис. 2. Кривые охлаждения и нагрева чистого железа.

Температурные остановки, при которых происходят перестройки решеток, называются критическими температурами или критическими точками и обозначаются Аrпри охлаждении и Ас при нагревании. В точках Аr2и Ас2,не происходит перестройка атомной решетки, а изменяются магнитные свойства железа. При температуре выше 768° железо теряет способность притягиваться магнитом. При очень малой скорости нагревания и охлаждения критические точки А с3и Аr3не совпадают друг с другом на 12°. При увеличении скорости охлаждения несовпадение критических точек увеличивается, так как температура значительно снижается и железо переохлаждается. Это явление, носит название гистерезис.

При нагревании и охлаждении стали происходит также перестройка атомной решетки, но температуры критических точек не постоянны. Они зависят от содержания углерода и легирующих примесей в стали, а также от скорости нагревания и охлаждения.

На рис. 3 представлена диаграмма состояния углеродистой стали при медленном охлаждении и нагревании.

Рис.3. Диаграмма состояния углеродистых сталей.

Структура стали

Структурой стали называется внутреннее ее строение. Углерод в стали находится в виде химического соединения с железом, и это соединение называется — цементит. Кроме цементита, в стали имеется феррит, представляющий собой почти чистое железо. В зависимости от содержания углерода большая или меньшая часть феррита находится в механической смеси с цементитом, образуя новую структуру — перлит. Если небольшой кусок металла прошлифовать, отполировать и протравить в специальном реактиве, то под микроскопом можно различить структуры. Ниже приводится описание структур железоуглеродистых сплавов.

Аустенит представляет собою твердый раствор углерода и других элементов в гамма-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в ау-стените — это 2%. Аустенит образуется при затвердевании жидкой стали и при нагреве твердой стали выше критических температур.

В обычных сталях аустенит устойчив только лишь при температуре выше критических точек. При охлаждении, даже самом быстром, с этих температур аустенит превращается в другие структуры. При комнатной температуре аустенит полностью сохраняется в ряде марок нержавеющих сталей, в высокомарганцовистой стали и в незначительном количестве остается при закалке некоторых марок инструментальной и конструкционной сталей.

Аустенит мягок, пластичен, тягуч, мало упруг. Твердость его по Бринелю находится в пределах 170—220.

Аустенит немагнитен, обладает невысокой электропроводностью.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода и других элементов в альфа-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в феррите, это 0,04%. Феррит устойчив при температурах ниже критической точки AC1. Он выделяется из аустенита при медленном охлаждении последнего ниже A6i. Феррит мягок, сильно тягуч. Твердость HB= 60—100. Феррит магнитен до 768°. Свыше этой температуры он теряет магнитные свойства.

Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом Fe3C—карбид железа. Цементит содержит углерода 6,67%. Выделяется из жидкого и твердого раствора при медленном охлаждении. Цементит весьма тверд и хрупок. Твердость его НB= 800—820. Он магнитен до 210°. Выше этой температуры цементит теряет магнитные свойства.

Перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при медленном его охлаждении. Температура превращения аустенита в перлит 723°С. При весьма медленном переходе через эту температуру цементит образуется в виде зерен (глобулей), и тогда перлит называется зернистым. При более быстром охлаждении цементит приобретает форму пластинок, и такой перлит называется пластинчатым. При весьма быстром охлаждении в результате значительного переохлаждения аустенита вместо перлита получаются другие структуры, о которых речь будет ниже.

Перлит магнитен, прочен и пластичен. Твердость его находится в пределах от 160 до 230 кг/мм 2 по Бринелю. При обработке резанием наиболее чистую поверхность дает структура зернистого перлита.

Мартенсит образуется в результате весьма быстрого охлаждения (закалки) аустенита. При быстром охлаждении успевает произойти перестройка кристаллической решетки гамма-железа в решетку альфа-железа, выделение же углерода в карбид железа не успевает произойти, и он весь остается растворенным в решетке альфа-железа. Так как нормально альфа-железо может растворить в себе не более 0,04% углерода, то такой раствор называют пересыщенным. Он отличается весьма большой твердостью (свыше Rc= 60) и хрупкостью. Следует указать, что решетка альфа-железа, получающаяся в результате закалки, имеет искаженную форму. Так, размеры ее граней не одинаковы — в одном направлении они удлинены за счет других (см. рис. 4). Такая решетка называется тетрагональной. Чем больше в стали углерода, тем больше тетрагональность решетки и тем более велики внутренние напряжения. При нагревании до температур 100—200° тетрагональность мартенсита уменьшается, форма кристаллической его решетки приближается к форме правильного куба, и вместе с этим уменьшаются внутренние напряжения. Мартенсит магнитен.

Рис. 4. Строение кристаллической решетки стали, закаленной на мартенсит.

Троостит представляет собой высокодисперсную (мелкораздробленную) смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с замедленной против закалки скоростью или в результате нагрева (отпуска) мартенсита в пределах 250—400°.

При нагреве закаленной стали происходит постепенное выделение углерода из кристаллической решетки с образованием карбидов. Троостит менее прочен, более пластичен, чем мартенсит. Твердость его НB330—400. При охлаждении аустенита в горячих средах в интервале 250—400° (изотермическое превращение аустенита) происходит образование игольчатого троостита, несколько более прочного, чем обычный троостит.

Сорбит представляет собой дисперсную смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с небольшой скоростью или при нагреве (отпуске) мартенсита до 400—650°. Карбиды сорбита более крупные, чем троостита. Сорбит пластичен, вязок и магнитен. Твердость НВ 270—320.

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Он содержит углерода 4 3% Образуется ледебурит при затвердевании жидкого сплава с содержанием углерода свыше 2%. Ледебурит хрупок.

На рис. 5. представлены фотоснимки структур стали с различным содержанием углерода.

Структура стали с содержанием углерода 0,83% состоит из сплошного перлита и называется эвтектоидной; при меньшем содержании углерода структура стали состоит из перлита и феррита и носит название доэвтектоидной, а при большем содержании углерода — из перлита и цементита и называется заэвтектоидной. Температура 723°, при которой перлит переходит в аустенит, также называется критической и обозначается Ас.

Для того чтобы доэвтектоидную и эвтектоидную сталь полностью отжечь, нормализовать или закалить, их нужно нагреть до такой температуры, при которой они перешли бы в аустенитное состояние.

Рис. 5. Микроструктура отожженной углеродистой стали:

а - с содержанием углерода -0,1%

б - с содержанием углерода -0,85%

в - с содержанием углерода -1,1%

Превращения, происходящие в стали при нагревании

По диаграмме на рис. 3 можно проследить за изменениями структуры трех разных марок стали при нагревании:

  1. Сталь с содержанием углерода 0,83%. Структура стали представляет собой перлит. При температуре 723° в точке Aс1 перлит переходит в аустенит.
  2. Сталь с содержанием углерода 0,4%. Структура стали представляет собой перлит и феррит. При температуре 723° в точке К1 перлит переходит в аустенит, и по мере повышения температуры происходит растворение свободного феррита в аустените. При пересечении линии GS в точке К2 закончится растворение феррита и структура будет полностью состоять из аустенита. Для этой стали точка К1на диаграмме будет нижней критической точкой Ас1,а К2— верхней критической точкой Ас1,.
  3. Сталь с содержанием углерода 1,2%. Структура стали представляет собой перлит и цементит. При температуре 723° в точке Pi перлит переходит в аустенит, и при дальнейшем повышении температуры происходит постепенное растворение цементита в аустените. При пересечении линии SEв точке Р2 это растворение закончится. Для этой стали точка Р1 явится нижней критической точкой Ас1, а точка Ρ2 — верхней критической точкой, которая для заэвтектоидных сталей обозначается Асm.

Линия на диаграмме, обозначенная буквами GS, соответствует окончанию растворения феррита в аустените в доэвтектоидных сталях, а линия SE соответствует окончанию растворения цементита в аустените в заэвтектоидных сталях.

Следует указать, что заэвтектоидные стали при операциях термической обработки не нагревают выше линии Аcт(такая высокая температура нагрева приведет к перегреву и ухудшению свойств стали), а ограничиваются нагревом выше первой критической точки ACl, что полностью обеспечивает получение необходимых свойств.

Превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении

В сталях, нагретых до аустенитного состояния, при весьма медленном охлаждении произойдут обратные превращения, а именно:

а) в стали с содержанием углерода 0,83% аустенит превратится в перлит;

б) в стали с содержанием углерода 0,4% сначала из аустенита начнет выделяться феррит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит и

в) в стали с содержанием углерода 1,2% сначала из аустенита выделится цементит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит.

Даже при весьма медленном охлаждении температура распада аустенита не совпадает с теми температурами, при которых аустенит образовался при нагревании. Чем скорость охлаждения больше, тем больше становится гистерезис, т. е. разница между критическими температурами (точками) при нагревании и охлаждении.

Превращения, происходящие в стали при быстром охлаждении

Как указывалось выше, при быстром охлаждении не успевает произойти превращение аустенита в перлит с выделением избыточного феррита или цементита, а в зависимости от скорости охлаждения аустенит превращается в новые структуры - мартенсит, троостит или сорбит. Сталь с этими структурами отличается от сталей со структурами перлита и феррита повышенной твердостью, прочностью и уменьшенной пластичностью. Если углеродистую сталь, нагретую выше критических температур, охладить очень быстро, то аустенит превратится в мартенсит и это превращение начнется лишь при температуре около 200°. При несколько меньшей скорости охлаждения образуется структура троостит, а при еще меньшей — сорбит.

В производственных условиях при охлаждении углеродистой инструментальной стали в воде образуется мартенсит, при охлаждении в масле — троостит и при охлаждении в струе воздуха -сорбит. На рис. 6 показаны микроструктуры закаленной стали.

Рис. 6. Микроструктура закаленной стали:

а — игольчатый мартенсит;

В легированных сталях, благодаря присутствию специальных элементов, для образования мартенсита не требуется столь большой скорости охлаждения, как для углеродистых сталей, и мартенсит образуется при охлаждении в масле, а для быстрорежущих сталей — и при охлаждении на воздухе.

Троостит и сорбит можно получить не только в результате ускоренного охлаждения, нои путем нагрева закаленной стали, имеющей структуру мартенсита, до температуры ниже Aс1, т. е. путем отпуска стали. В этом случае троостит получается при нагреве стали до 400°, а сорбит—при нагреве до 650°. При нагреве до промежуточных температур получаются смешанные структуры: при нагреве от 250—400° — мартенсит и троостит и при нагреве от 400—650° — троостит и сорбит. В производственных условиях троостит и сорбит получают путем отпуска закаленной стали.

Превращения, происходящие в стали при охлаждении в среде, имеющей температуру выше 200° (изотермическое превращение)

Если деталь, нагретую выше критической точки, поместить в среду, имеющую температуру от 700 до примерно 200°, и выдержать в ней до выравнивания температуры по всему сечению, то аустенит превратится в ту структуру, которая соответствует превращению при данной температуре.

О поведении стали при изотермической обработке, выборе температуры и времени выдержки судят по кривым изотермического превращения, построенным для разных марок стали.

Рис. 7. Диаграмма изотермического превращения аустенита углеродистой стали.

На рис. 7 дан вид диаграммы изотермического превращения в стали. На горизонтальной оси отложено время начала и конца превращения, а на вертикальной— температура, при которой оно происходит. Линия А с соответствует переходу аустенита в перлит, а линия Мн — образованию мартенсита из аустенита. На кривой I начинаются, а на кривой II заканчиваются структурные превращения.

Если углеродистую инструментальную сталь, нагретую до 800°, поместить в масло, расплавленную соль или щелочь при температуре 250°, в ней образуется игольчатый троостит с высокой твердостью Rc=45—55. Если эту же сталь охладить в среде, имеющей температуру свыше 600°, в ней образуется перлит и такая сталь легко обрабатывается на станках. При охлаждении стали в среде с промежуточными температурами образуются структуры троостита и сорбита с соответствующей твердостью.

Изотермический отжиг нашел большое применение при термической обработке инструментальных сталей как процесс, резко уменьшающий время по сравнению с другими видами отжига.

Изотермическая закалка в инструментальном деле применяется редко из-за недостаточной для инструмента твердости, достигаемой при этом процессе.

Источник:
Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.
Каменичный И.С. Практика термической обработки инструмента. Киев, 1959 г.

Перлитное превращение

стояние после распада при 700° равно 700 ммк, при 650°— 225 ммк и при 578° (температура Тт для углеродистой стали)— 103 ммк (рис. 36). Первый случай соответствует грубопластинчатому перлиту, последний — трооститу закалки. Эти данные описываются эмпирическим уравнением.

Таким образом, структуры пластинчатого перлита, сорбита и троостита качественно подобны. Они различаются по твердости и величине межпластиночного расстояния:


Очевидно, что границы между этими составляющими по дисперсности структур — условны.

Введение в сталь легирующих элементов меняет форму диаграммы изотермического распада. При этом, однако, кривые изотермического превращения, кристаллизационный характер распада и строение перлитных зерен не претерпевают качественных изменений.

Введение легирующих элементов существенно влияет на величину межпластиночного расстояния. Никель, марганец и молибден увеличивают, а кобальт уменьшает межпластиночное расстояние.

2. КИНЕТИКА ПЕРЛИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ

Общее представление о кинетике перлитного превращения можно получить из рассмотрения диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита. На рис. 37 показаны диаграммы двух типов: для углеродистой стали, легированной кобальтом, никелем и некоторыми другими элементами (а), и осложненная диаграмма — для стали с карбидообразователями типа хрома, вольфрама, молибдена и т. д. (б). В. Д. Садовский на основании полученных им опытных данных пришел к выводу, что диаграмма второго типа — универсальна, характерна для

всех лерированных сталей. Просто в ряде случаев не наблюдается столь четкого разделения, как это показано на рис. 37, б.

Выше было указано, что экспериментальное исследование показало развитие превращения через зарождение и рост перлитных зерен. Впервые количественные зависимости величин


скорости роста (С) и зарождения центров (п) при перлитном превращении в стали были получены в работах И. Л. Миркина. Затем аналогичные зависимости получили в своих исследованиях Шайль и Мель.

Результаты исследования эвтектоидной углеродистой стали показаны на рис. 38 и 39. Полученные кривые типичны для процессов кристаллизационного типа, протекающих при переохлаждении. Наличие максимумов на кривых рис. 38 и 39 обусловливается одновременным воздействием двух факторов. При малых степенях переохлаждения превалирует влияние разности свободных энергий аустенита и перлита, благодаря чему величины Сип возрастают. При большем переохлаждении определяющим является уменьшение диффузионной подвижности с понижением температуры, поэтому величины Сип начинают быстро уменьшаться, достигая вблизи 400° нулевых значений. Следует внести уточнение: как видно из рис. 37, а, зона перлитного превращения ограничивается температурой Тт (550° для углеродистой стали) у минимума устойчивости. Ниже этой температуры процесс распада аустенита носит иной характер, присущий промежуточному превращению. Этой температурой, равной 550° и совпадающей с максимумами величин Сип, следует ограничить для случая перлитного превращения кривые рис. 38 и 39. Вместе с тем для случая легированной стали с разделенными зонами перлитного и промежуточного превращения

(рис. 37, б) получаются полные кривые с максимумом, качественно подобные показанным на рис. 38 и 39.

Из сопоставления данных этих рисунков с диаграммой изотермического превращения для углеродистой стали становится ясно, что увеличение скорости перлитного превращения определяется одновременным возрастанием величин С и п от температуры А1 (723°) до Тт (550°).

Скорость перлитного превращения определяется составом,

строением и технологической историей аустенита, полученного в процессе предварительного нагрева стали.

Экспериментально показано, что скорость зарождения центров п при прочих равных условиях определяется временем и температурой предварительного нагрева для образования аустенита. Увеличение скорости зарождения центров с понижением температуры и уменьшением времени нагрева объясняется зародышевым действием нерастворенных карбидных частиц и микронеоднородностью распределения углерода в аустените. Оба эти фактора играют существенную роль при зарождении по всему объему зерна аустенита, которое наблюдается при малых степенях переохлаждения вблизи температуры А1. При больших степенях переохлаждения решающую роль играют границы зерен аустенита, на которых происходит преимущественное зарождение. Наличие готовой поверхности уменьшает работу зарождения, а повышенная растворимость углерода в пограничных слоях приводит к образованию флуктуаций обо-


гащения. Последний вывод получил экспериментальное подтверждение. Увеличение времени выдержки при 875° (нагрев для получения аустенита) от 5 до 90 мин. приводит к уменьшению величин скорости зарождения центров при последующем изотермическом превращении при 595° почти в 50 раз. Если отнести скорость зарождения центров к 1 мм 2 поверхности зерен аустенита, то окажется, что величина п с увеличением времени нагрева будет изменяться весьма слабо. Следует обратить внимание, что при увеличении времени выдержки от 5 до 10 мин. объемная скорость зарождения уменьшается в 15 раз. Эти же величины, отнесенные к 1 мм 2 поверхности зерна аустенита, остаются практически постоянными: 4,2 • 10 2 и 3,7-10 2 . Некоторое уменьшение удельной скорости зарождения при дальнейшем увеличении выдержки связано, вероятно, с гомогенизацией объемов аустенитных зерен.

В отличие от скорости зарождения скорость роста перлитных образований не зависит от температуры нагрева, времени выдержки, условий раскисления и, следовательно, неоднородности и величины зерна аустенита. Она постоянна при постоянном составе стали.

Существенное влияние на величины скорости роста и зарождения перлитных зерен оказывает легирование стали.

Сводные данные о влиянии никеля, марганца и молибдена на скорость роста перлитных зерен показаны на рис. 40. Увеличение содержания этих легирующих элементов приводит к существенному уменьшению скорости роста, причем особо сильное влияние оказывает введение молибдена, понижающего эту характеристику на три порядка. Молибден при введении до 0,32% снижает величину скорости зарождения на три порядка. При дальнейшем увеличении содержания молибдена до 0,77% величина скорости зарождения остается практически постоянной. Резкие перегибы на кривых зарождения, а также роста перлитных образований при введении молибдена (рис. 40) эти исследователи связывают с изменением природы карбидной фазы от орторомбического карбида FезС к гранецентрированной кубической каппа-фазе (Fe, Мо)23С6. Следует, однако, отметить, что в отличие от всех других случаев при легировании молибденом была обнаружена сильная зависимость скорости роста от времени нагрева для получения аустенита. Это свидетельствует о сильной сегрегации молибдена в аустените. В свою очередь, наличие в аустените объемов, значительно обогащенных молибденом, с концентрацией, превышающей или близкой к предельной растворимости в цементите (порядка 1%, см. раздел о механизме перлитного распада), способствует непосредственному образованию (Fe, Мо)23С6 при перлитном пре-

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Изучение перлитного превращения имеет большое практическое значение в связи с проблемой прокаливаемости и некоторыми технологическими процессами термической обработки стали (отжиг, нормализация). Большой теоретический интерес к этому превращению переохлажденного аустенита связан с протеканием сложных диффузионных перемещений углерода и легирующих элементов, превращением в карбидной фазе и у-а-переходом основной кристаллической структуры. Раскрытие механизма этих явлений позволяет определить принципы рационального легирования стали.

1. НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ЗАВИСИМОСТИ

Перлитное превращение протекает в верхнем районе температур, прилегающем к критической точке или интервалу А1 (рис. 32, заштрихованная зона). Превращение при любой температуре Т в этом интервале наблюдается через время х п и заканчивается через тк. Кривая «начала» перлитного превращения соответствует какой-то степени распада переохлажденного аустенита, которая определяется чувствительностью метода исследования. И. Л. Миркиным экспериментально доказано, что перлитное превращение начинается мгновенно при любой температуре. Поэтому понятие «инкубационный период», соответствующее интервалу времени до наблюдаемого начала превращения тн (рис. 32), является условным и зависит от чувствительности метода исследования. Так, исследование изотермического распада стали, содержащей 0,92% С и 6,48% Мп, показало, что начало превращения отмечается с помощью метода электросопротивления через 10 мин., по твердости — через 60 мин., а с помощью рентгеноструктурного анализа— через 80 мин. В настоящее время для большинства исследований кривая «начала» превращения соответствует распаду аустенита на 1—3%.

Типичная кривая для изотермического превращения аустенита в перлит показана на рис. 33. Превращение характеризуется замедленным началом, ускоренной серединой и замедленным концом. Вид кривой определяется характером превращения. Превращение начинается путем зарождения перлитных образований на границах зерен аустенита. По мере развития процесса увеличивается поверхность растущих частиц. Так как в изотермических условиях линейная скорость роста зерен перлита постоянна (см. далее), то количество превращенного аустенита в каждую последующую единицу вре


мени увеличивается за счет развития поверхности новой структуры. Когда превращение проходит примерно наполовину, начинаются столкновения и срастание зерен перлита. «Фронт» роста кристаллов сокращается, а в связи с этим уменьшается прирост


количества перлита, т. е. наступает замедление и затухание процесса превращения (обычная кристаллизационная схема).

Движущей силой аустенито-перлитного превращения является стремление к состоянию с наименьшим запасом свободной энергии. В последнее время Хегель, Паунд и Мель с помощью экспериментальных определений и последующего рас-


чета определили значение разности свободных энергий аустенита и перлита АFAn для стали углеродистой и легированной кобальтом, марганцем и молибденом. Как показано на рис. 34, введение марганца и молибдена уменьшает, а кобальта — увеличивает АFAn. В соответствии с этим кобальт ускоряет, а молибден и марганец замедляют перлитное превращение.

Структура продуктов превращения во всем интервале температур перлитного превращения от А1 до Тт качественно подобна (см. рис. 35).

Отчетливо наблюдается почти полная параллельность перемежающихся пластин феррита и цементита в пределах каждого зерна перлитного типа. По мере понижения температуры превращения величина межпластиночного расстояния, равная сумме толщин пары пластин феррита и цементита, уменьшается. По данным, межпластиночное рас-

вращении, т. е. получению описанных результатов. Следует отметить, что введение кобальта, наоборот, значительно увеличивает скорости роста и зарождения.


Изменяя значения величин скорости роста и зарождения перлитных зерен, углерод и легирующие элементы существенно влияют на скорость перлитного превращения. На рис. 41 показано влияние углерода на скорость перлитного превращения в изотермических условиях. На рис. 42—49 показано влияние

легирующих элементов на протекание этого процесса. На всех графиках нанесены кривые «начала» превращения.

Как следует из рассмотрения кривых рис. 41, увеличение содержания углерода приводит к замедлению перлитного превращения. Введение никеля при 0,56 и 1,0% С в стали существенно увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита (рис. 42). Кобальт, напротив, существенно ускоряет перлитное превращение (рис. 43). Введение марганца тормозит распад аустенита в перлитном районе (рис. 44). Введение хрома приводит к отчетливому разделению районов перлитного и промежуточного превращения и замедлению перлитного распада (рис. 45). Подобным же образом влияют молибден (рис. 46) и вольфрам (рис. 47). Введение кремния (рис. 48) и алюминия (рис. 49) приводит вначале к замедлению, а затем к ускорению перлитного превращения

3. МЕХАНИЗМ ПЕРЛИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ

Механизм перлитного превращения в нелегированной стали

Этот процесс имеет в настоящее время следующее общепринятое толкование, предложенное и развитое в исследованиях И. Л. Миркина.

В твердом растворе углерода в аустените при повышенных температурах происходит непрерывная миграция атомов углерода. Вследствие этого в аустените непрерывно создаются и исчезают объемы, обогащенные и обедненные углеродом, по сравнению со средним содержанием. Эти флуктуации концентраций способны создать условия для появления зародышей цементита (при концентрации 6,67% С) и ферритной фазы (при концентрации порядка сотых долей % С). Для этого необходи мо образование флуктуаций в объеме, превышающем критический размер.

Длительное время был спорным вопрос о ведущей фазе, т. е. первичном зародыше при перлитном превращении. Металлографическое исследование показывает, что места зарождения перлитных образований — преимущественно границы зерен аустенита. Если принять во внимание, что зоны границ существенно обогащены углеродом (экспериментально это показано методом «меченых» атомов), то в этом случае облегчается об-

1 Причины различного влияния легирующих элементов на кинетику перлитного превращения рассмотрены в разделе 1 гл. VIII.


разование флуктуаций обогащения. Отсюда можно сделать вывод о ведущей роли цементитных зародышей.

Механизм образования пластинчатых структур перлитного типа может быть показан с помощью схемы, приведенной на рис. 50. Ведущей фазой в этом процессе является цементит, зарождающийся на готовой подкладке (граница зерна аустенита, неметаллические включения, нерастворенная карбидная частица и т. д.). Первичная пластинка показана на рис. 50,/. Одновременно с краевым ростом пластинки цементита происходит ее утолщение, и при достижении определенной толщины начинается боковой рост зерна перлита, заключающийся в зарождении пластинок феррита (рис. 50, 2). При достижении пластинами феррита полного размера (по толщине, рис. 50, 3) зарождаются новые пластинки цементита (рис. 50, 4). Одновременно происходит краевой рост пластин феррита и цементита. Многократное повторение этого процесса приводит к получению перлитного зерна. При этом на поверхности зерен перлита возникают новые зародыши цементита различной ориентации (рис. 50, 5). Рост перлитных образований различной ориентировки продолжается до соприкосновения растущих зерен.

Образование перлита регулируется диффузией углерода в аустените, поэтому понижение температуры, т. е. уменьшение скорости диффузии, приводит к измельчению пластинок феррита и цементита. В процессе перлитного превращения в чистейшей углеродистой стали состав аустенита, феррита и цементита не изменяется и зависит от состава стали и температурных условий распада.

Превращение в перлитном районе температур осложняется в до- и заэвтектоидной стали выпадением избыточных фаз феррита и цементита, соответственно. Однако исследование изотермического превращения показывает, что количество выделенной избыточной фазы определяется температурой превращения. На рис. 51, а показана диаграмма изотермического превращения в доэвтектоидной стали. Между температурами А3—А1 из аустенита выделяется избыточный феррит. В районе А1—Тт процесс начинается с выделения феррита. Далее обогащенный углеродом аустенит превращается в перлитные структуры. По мере понижения температуры и приближения к нижней грани

це перлитной области количество избыточного феррита непрерывно уменьшается и, при некоторых составах доэвтектоидной стали, получается чисто перлитная структура.

Аналогичное положение наблюдается и в случае заэвтектоидной стали. Количество избыточного цементита по мере понижения температуры непрерывно уменьшается и в ряде случаев получается чисто эвтектоидная структура (рис. 51, б).

Объяснение этого явления было предложено А. А. Бочваром. На рис. 52 представлен стальной угол диаграммы Fe—Fe3C с продолженными в область субкритических температур линиями SE (отрезок Sa) и gS (отрезок Sb). При равновесной температуре аустенито-перлитного превращения количество феррита в доэвтектоидной стали состава I будет равно отношению 1S к PS. При 700° количество феррита уменьшится и выразится отношением отрезка 2d к cd. И, наконец, при t1 и ниже количество феррита будет равно нулю.

В заэвтектоидной стали II количество избыточного цементита при равновесной температуре перлитного превращения будет равно отношению отрезка S3 к SK. При 700° количество избыточного цементита определится отношением 4е к ek.

И, наконец, при t2 и ниже количество избыточного цементита будет равно нулю.

В области, очерченной линиями aSb, избыточные фазы выделяться не будут. Благодаря одновременному пересыщению ферритом и цементитом, несмотря на значительные отклонения по составу от эвтектоидного, в этой области будут образовываться структуры только перлитного типа, названные А. А. Бочва-

Перлитная область распространяется на интервал температур от критической точки А1 до изгиба С-кривой (~550°). Распад аустенита с образованием перлита (эвтектоидный распад) является диффузионным процессом и развивается в результате флуктуации состава (неоднородности в распределении углерода в аустените). Как любой диффузионный процесс (например, кристаллизация жидкости), распад аустенита происходит путём возникновения зародышей (ч. з.) и роста их с определённой скоростью (с. р.). В аустените (рис. 2.4,а), оказавшемся в неравновесном состоянии при температуре ниже А1, углерод диффундирует к наиболее дефектным местам кристаллической решётки, к местам скопления вакансий вблизи границ зёрен. Поэтому зародыши цементита образуются по границам зёрен аустенита (рис. 2.4,б).


Рис. 2.3. Диаграмма изотермического превращения аустенита
эвтектоидной стали

Рост зародышей цементита происходит вследствие диффузии углерода из прилегающего аустенита, что приводит к обеднению углеродом аустенита, окружающего образовавшиеся пластинки цементита, и способствует превращению его в феррит за счёт полиморфного превращения решетки ГЦК в ОЦК. Поэтому рядом с пластинками цементита образуются пластинки перлита (рис. 2.4,в). Дальнейшее утолщение ферритных пластинок ведёт к обогащению окружающего аустенита углеродом, что приводит к зарождению новых пластинок цементита (вдоль границы аустенита) или к росту уже имеющихся. Таким образом, возникают участки перлита, называемые перлитными колониями, в которых пластинки цементита и феррита расположены параллельно.

При дальнейшем росте перлитной колонии эти пластинки удлиняются (краевой рост; рис. 2.4,г) и присоединяются новые пары пластинок (цементита и феррита), параллельные исходным (боковой рост; рис. 2.4,д). При краевом росте вблизи фронта распада АB (рис. 2.5) аустенит неоднороден: у торца цементитной пластинки концентрация углерода низкая, а у торца ферритной пластинки – высокая. Такой перепад концентраций в аустените обеспечивает диффузионный перенос углерода вдоль фронта распада путём его диффузии в аустените (как показано стрелками) от мест обогащения возле феррита к местам обеднения возле цементита, что обеспечивает продолжение роста пластинок цементита и феррита. Такой процесс роста (краевого и бокового) перлитных колоний происходит до их столкновения, срастания и превращения всего аустенита в перлит (рис. 2.4,е).


Рис. 2.4. Последовательные стадии (а – е) образования перлитных зёрен
в зерне аустенита (схема)

Структура, состоящая из чередующихся параллельных пластинок феррита и цементита, характерна для всей перлитной области (от точки А1 до изгиба С-кривой). Разница заключается только в том, что с увеличением переохлаждения ниже 727°С (с понижением температуры изотермической выдержки) увеличивается число зародышей на границах аустенитного зерна, пластинок феррита и цементита оказывается больше, они становятся более тонкими и искривленными. Межпластинчатое расстояние lо (см. рис. 2.5), под которым понимают сумму толщин двух соседних пластинок феррита и цементита, уменьшается. С уменьшением межпластиночного расстояния значительно изменяются механические свойства – повышается прочность и твёрдость и уменьшается пластичность. Под перлитом понимают продукты эвтектоидного распада аустенита, образующиеся при температурах 650-700°С (lо=0,6-1,0 мкм; НВ 180-250). Если аустенит переохлаждён до 600-650°С и при этих температурах распадается, то образуется более мелкая ферритоцементитная смесь она называется сорбитом (lо=0,25-0,3 мкм; НВ 250-350). При переохлаждении аусенита до 500-600°С образуется ещё более мелкая ферритоцементитная смесь она называется трооститом (lо=0,1-0,15 мкм; НВ 350-450).


Рис. 2.5. Схема перераспределения углерода на фронте

При изотермическом превращении аустенита доэвтектоидных сталей в интервале температур выше изгиба С-кривой процесс начинается с образования избыточного феррита, что на диаграмме характеризуется линией а-б (рис. 2.6).


Рис. 2.6. Диаграмма изотермического превращения аустенита
доэвтектоидной стали

Так как растворимость углерода в α-железе значительно меньше, чем в γ-железе, то превращению аустенита в феррит предшествует диффузия углерода (от периферии в глубь зерна), в результате чего участки аустенита, обеднённые углеродом, превращаются в феррит, а аустенит обогащается углеродом (рис. 2.7).


Рис. 2.7. Последовательные стадии распада аустенита доэвтектоидной стали при разных температурах изотермической выдержки (разных степенях переохлаждения, схема)

При небольшой степени переохлаждения (при температуре немного ниже точки А1) углерод диффундирует в глубь зерна до тех пор (все с большим образованием феррита), пока аустенит не обогатится до содержания 0,8% С, после чего происходит перлитное превращение (рис. 2.7,а).

С повышением степени переохлаждения (с понижением температуры) изотермическое превращение ускоряется, диффузия углерода протекает в меньшей степени, избыточного феррита образуется меньше, и получающаяся ферритоцементитная смесь содержит углерода меньше 0,8% (рис. 2.7,б). При температуре, соответствующей изгибу С-кривой, диффузия углерода значительно уменьшается и аустенит распадается без образования избыточного феррита. Получается ферритоцементитная смесь (троостит) с таким количеством углерода, которое содержит данная доэвтектоидная сталь (рис. 2.7,в).

При изотермическом превращении заэвтектоидной стали процесс аналогичен; разница только в том, что вместо избыточного феррита из аустенита выделяется избыточный цементит и аустенит обедняется углеродом. Как правило, образовавшаяся ферритоцементитная смесь содержит более 0,8% углерода.

Получающаяся при распаде аустенита ферритоцементитная смесь, содержащая углерода меньше (или больше) 0,8%, называется квазиэвтектоидом (ложным эвтектоидом).

Читайте также: