Обобщенная диаграмма превращения переохлажденного аустенита в углеродистой стали

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Однофазные и двухфазные структуры 

 

Однофазная  структура - состоит из частиц или зерен, одного компонента (феррит, аустенит, цементит).

1. Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Растворимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость - 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначительную твердость (НВ 80-100) и прочность (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50%; φ=80%).

2. Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% - при 727°С. Эта температура является нижней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит имеет твердость НВ 160-200 и весьма пластичен (δ=40-50%).

3. Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ~800), хрупок и практически не обладает пластичностью. Цементит неустойчив и в определенных условиях распадается, выделяя свободный углерод в виде графита по реакции Fe₃C→3Fe+C.

 

Двухфазная  структура - образованная зернами матрицы и частицами избыточных фаз или структурных составляющих (аустенит и карбиды, перлит и избыточный цементит и т. д.)

1. Перлит (П) - механическая смесь (эвтектоид, т. е. подобный эвтектике, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Перлит может быть пластинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита (пластинки или зерна) и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σв=800 МПа; относительное удлинение δ=15%; твердость НВ 160. Перлит образуется следующим образом. Пластинка (глобуль) цементита начинает расти или от границы зерна аустенита, или центром кристаллизации является неметаллическое включение. При этом соседние области обедняются углеродом и в них образуется феррит. Этот процесс приводит к образованию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок или глобулей цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

2. Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре ниже 727°С ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь перлита с цементитом. Помимо перечисленных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды – соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором. На их основе могут образовываться новые структурные составляющие, например фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С. Она образуется при больших содержаниях фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5-0,7% фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границам зерен и повышает хрупкость чугуна. [2]

 

 

 

 

 

 

 

4. Перлитное превращение

 

Превращение аустенита в перлит заключается  в распаде аустенита — твердого раствора углерода в у-железе, на почти чистое а-железо и цементит:

Fe_v(С) - Fe_a + Fe₃0.

При температуре равновесия A₁ превращение аустенита в перлит невозможно, так как при этой температуре свободные энергии исходного аустенита и конечного перлита равны.

Превращение может начаться лишь при некотором переохлаждении, когда свободная энергия феррито-карбидной смеси (перлита) окажется меньшей, чем свободная энергия аустенита.

Чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение, тем больше разность свободных энергий, тем быстрее происходит превращение.

В случае перлитного превращения  образуются фазы, резко отличающиеся по составу от исходной: феррит, почти  не содержащий углерода, и цементит, содержащий 6,67% С. Поэтому превращение  аустенит-перлит сопровождается диффузией, перераспределением углерода. Скорость диффузии резко уменьшается с понижением температуры, следовательно, с этой точки зрения увеличение переохлаждения должно замедлять превращения.

При увеличении переохлаждения (снижения температуры превращения) вступают в борьбу два фактора, прямо противоположно влияющие на скорость превращения.

Снижение температуры (увеличение переохлаждения), с одной  стороны, увеличивает разность свободных  энергий аустенита и перлита (AF=F_a — F_п), что ускоряет превращение, а с другой — вызывает уменьшение скорости диффузии углерода D, а это замедляет превращение (рис. 6). Суммарное действие обоих факторов приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигает при каком-то значении переохлаждения максимума и затем убывает (сплошная кривая на рис. 6).

 

 

      Рис. 6. Скорость  распада аустенита (сплошная линия)  в зависимости 

           от степени переохлаждения (температуры)

 

При 727 °С (А₁) и ниже 200° С (d) скорость превращения равна нулю, так как при 727 °С равна нулю разность свободных энергий, а при 200 °С равна нулю (точнее, недостаточна) скорость диффузии углерода.

Процесс образования  перлита - это процесс зарождения центров перлита и роста перлитных кристаллов, как было впервые в 1939 г. показано И. Л. Миркиным и затем (в 1941 г. и в последующих) развито Р. Мелом.

Следовательно, разная скорость перлитного превращения  при разной степени переохлаждения определяется тем, что подобным образом зависят от степени переохлаждения скорость роста (с. к.) и число образующихся центров (ч. ц.) перлита (рис. 7). В точке А_х и ниже 200° С оба параметра кристаллизации— ч. ц. и с. к. — равны нулю и имеют максимальное значение при переохлаждении, равном 150—200° С.

Рис. 7. Скорость роста кристаллов и скорость зарождения центров кристаллизации перлита в зависимости от температуры (степени переохлаждения) (И. Л, Миркии)

 

Из сказанного следует, что как только созданы  надлежащие условия зарождаются  центры кристаллизации и из них растут кристаллы. Процесс этот происходит во времени и может быть изображен в виде так называемой кинетической кривой превращения, показывающей количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения (рис. 8).

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8. Кинетическая кривая превращения аустенита в перлит

 

Начальный период характеризуется весьма малой скоростью превращения — это так называемый инкубационный период, или обнаруживается начало превращения (обычно это соответствует образованию 1% перлита). На кривой степень превращения — время (рис. 8) видно, что скорость превращения возрастает по мере того, как развивается превращение. Максимум скорости превращения соответствует примерно тому времени, когда превратилось ~50% аустенита. В дальнейшем скорость превращения уменьшается и, наконец, превращение заканчивается (точка b).

На рис. 9 показано время  превращения аустенита в перлит в зависимости от степени переохлаждения, т. е. превращение переохлажденного аустенита при постоянной температуре. Поэтому такие диаграммы обычно называют диаграммами изотермического превращения аустенита. Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита имеют вид буквы С, поэтому их часто называют С-образными или просто С-кривыми.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9. Диаграмма изотермического превращения аустенита.

 

Свойства  и строение продуктов превращения  аустенита зависят от температуры, при которой происходил процесс его распада (рис. 10).

При высоких  температурах, т. е. при малых степенях переохлаждения, получается достаточно грубая (легко дифференцируемая под микроскопом) смесь феррита и цементита. Эта смесь называется перлитом (рис. 10,а).

При более  низких температурах и, следовательно, при больших степенях переохлаждения дисперсность структур возражает, и твердость продуктов повышается. Такой более тонкого строения перлит получил название сорбита (рис. 10,б).

                                                                                                                                                                                                                           

 

Рис. 10. Структура эвтектоидной стали в зависимости от температуры  распада аустенита:

                   а — перлит, распад при 700°  С; б — сорбит, распад при  650° С. Х7500

 

При еще более  низкой температуре (что соответствует  изгибу С-кривой) дисперсность продуктов еще более возрастает, и дифференцировать под оптическим микроскопом отдельные составляющие феррито-цементитной смеси становится почти невозможно, но при наблюдении под электронным микроскопом пластинчатое строение обнаруживается вполне четко (рис. 11). Такая структура называется трооститом.

                    

                     Рис. 11. Структура тростита (электронный  микроскоп). Х15000

 

Таким образом, перлит, сорбит и тростит — структуры с одинаковой природой (феррит + цементит), отличающиеся степенью дисперсности феррита и цементита.

Перлитные структуры  могут быть двух типов: зернистые (цементит в них находится в форме зернышек) или пластинчатые (в форме пластинок).

Однородный (гомогенный) аустенит всегда превращается в пластинчатый перлит. Следовательно, нагрев до высокой  температуры, который создает условия для образования более однородной структуры, способствует появлению пластинчатых структур. Неоднородный аустенит при всех степенях переохлаждения дает зернистый перлит, следовательно, нагрев до невысокой температуры (для заэвтектоидной стали ниже Ас₃) приводит при охлаждении к образованию зернистого перлита. Вероятно, оставшиеся не растворенными в аустените частицы, являющиеся дополнительными центрами кристаллизации, способствуют образованию зернистого цементита.

Как показано на рис. 12, при исходном нагреве до 900° С получился пластинчатый перлит, причем более низкая температура превращения дает более дисперсную структуру.

В той же стали  при тех же температурах превращения, но после невысокого нагрева (780°С), получился зернистый перлит (рис. 13). Размер зерен цементита мельче при более низкой температуре  превращения.

 

Рис. 12. Пластинчатый перлит в стали с 1% С, полученный в результате нагрева на 900° С (т. е. выше Ас₃) и изотермического превращения при 710° С (а) и 670° С (б). Х800

 

 

Рис. 13. Зернистый перлит в стали с 1,2% С, полученный в результате нагрева на 750^е С (т. е. ниже Ас₃) и изотермического превращения при 710° С (а) и 670° С (о). X800

 

Следовательно, размер цементитных частиц зависит  от температуры превращения аустенита, а форма цементита — от температуры нагрева (температура аустенизации).

Превращения выше и ниже изгиба С-кривой отличаются по кинетике превращения и по форме продуктов распада.

Выше изгиба С-кривой, т. е. при малых переохлаждениях, превращение начинается из немногих центров, и кристаллы перлита  растут до столкновения. Ниже изгиба С-кривой возникает игольчатая микроструктура, образуются иглы-пластины, рост которых ограничен, и превращение происходит главным образом путем появления новых кристаллов.

Образующаяся  ниже изгиба С-кривой игольчатая структура  получила название бейнит. [6]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Бейнитное превращение

 

На схеме образования  структур (см. рис. 14) бейнитное превращение происходит, когда в заметном объеме нет диффузионного перераспределения атомов легирующих элементов и самодиффузий атомов железа, а диффузия атомов углерода может совершаться с достаточной полнотой. Другими словами, бейнитное превращение ограничивается уровнями температур e и d соответственно (приблизительно от 400 до 200⁰С).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 14. Особенности диаграммы  превращения переохлажденного аустенита

 

Механизм бейнитного превращения описывается следующим образом      (рис. 15). При охлаждении ниже точки е в аустените происходит расслоение на области, богатые и бедные углеродом. В обедненном аустените вследствие повышения мартенситной точки образуется мартенсит, о котором происходит выделение (карбидов), так как температура процесса выше точки М_н (начала мартенситного превращения).

В аустените обогащенном  углеродом, может сначала происходить  выделение карбидов, в этом случае он значительно обедняется углеродом и точка М_н повышается до температуры изотермической выдержки, и превращение происходит по указанной справа схеме на рис. 15.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 15. Схема бейнитного превращения

 

Если обеднение углеродом  менее значительно, мартенситное превращение  наступит только при охлаждении до 20 ⁰С от температуры изотермической выдержки, а при еще меньшем обеднении углеродом или при отсутствии такого этот аустенит не превращается ни при температуре изотермической выдержки ни при охлаждении до 20⁰С.

В соответствии с рассмотренным бейнитное превращение в изотермических условиях не идет до конца (сохраняется высокоуглеродистый аустенит). Структура бейнита неоднородна и зависит от температуры изотермического превращении. Обычно различают верхний и нижний бейнит (рис. 16). Мартенсит (или α-твердый раствор), образующиеся в процессе бейнитного превращения, хотя и претерпевает отпуск, но все же полностью не освобождается от углерода.  В нем сохраняется примерно 0,1—0,2% С.