Вторичная кристаллизация сталей

Рассмотрим теперь превращения, происходящие в сталях при дальнейшем охлаждении в твердом состоянии, т. е. вторичную кристаллизацию (рис. 4).

Сплав 5 (0,3 % С). Выше точки а сплав находится в аустенитном состоянии.

Рис. 4. Нижний левый угол диаграммы состояния Fе – С – вторичная кристаллизация сталей

После окончания первичной кристаллизации аустенит охлаждается без каких-либо изменений. Углерод в сплавах понижает температуру полиморфного превращения γ→α. В сплаве 5 это превращение начнется на линии GS в точке а и будет развиваться далее с понижением температуры до точки е. Так в сплаве появляется феррит. Концентрация углерода в уменьшающемся по количеству аустените будет изменяться по линии GS (к точке S), а концентрация углерода в увеличивающемся по количеству феррите – по линии GP (к точке Р). Из приведенных ранее данных известно, что количество углерода в ферритной фазе весьма мало, поэтому выделение феррита должно вызывать заметное увеличение содержания углерода в аустените, что и происходит.

В точке е выделение феррита закончится, и сплав будет состоять из двух фаз – α _р + γ_S .

Чуть выше линии PSK:

a = ∙100% = ∙100% = 64,1 %;

γ = ∙100% = ∙100% = 35,9 %.

Аустенит с содержанием 0,8 % углерода на линии РSК претерпевает эвтектоидноепревращение, состоящее в том, что одновременно выделяются две кристаллические фазы – феррит предельного насыщения (точка Р) и цементит:

γ_S → a_P + Fe₃C.

Возникающая при эвтектоидном распаде аустенита смесь феррита и цементита имеет тонкопластинчатое строение (чередующиеся пластинки a и Fе₃С) и называется перлитом– по радужной окраске поверхности шлифа после травления, имеющей сходство с перламутром.

Феррит, который выделился из аустенита в интервале температур от точки а до точки е, в эвтектоидном превращении не участвует. Во время эвтектоидного распада аустенита на линии РSК система состоит из трех фаз: α_р, γ_S и Fе₃С, поэтому по правилу фаз

С= К + 1– Ф = 2 + 1– 3 = 0.

Устанавливаем, что число степеней свободы системы равно нулю. Следовательно, эвтектоидный распад аустенита происходит при постоянной температуре и при неизменной концентрации углерода во всех трех фазах.

Сразу после перлитного превращения система состоит из фаз a и Fe₃C, их относительное количество:

a = ∙100% = ∙100% = 95,8 %;

Fe₃C= ∙100% = ∙100% = 4,2 %.

Структурные составляющие – феррит+перлит, т. е.α + (α + Fе₃С).Но 95,8 % феррита делится на избыточный феррит, выделившийся в интервале ae из аустенита (64,1 %) и феррит в составе перлита (95,8 %-64,1 %=31,7 %) Цементит же весь находится в составе перлита, т.о. получается: 64,1 %α + (31,7 % α + + 4,2 % Fе₃С). Количество перлита (35,9 %) соответствует количеству аустенита перед эвтектоидным превращением.

При дальнейшем охлаждении сплава, состоящего из феррита и цементита, ферритная фаза должна обедняться углеродом (по линии PQ) с выделением цементита, называемого третичным.Это фазовое превращение дает столь незначительные изменения в структуре, составе и количестве фаз, что при рассмотрении превращений в среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталях и чугунах им можно пренебречь. Однако превращение с выделением третичного цементита имеет большое значение для мягких сортов сталей с низким содержанием углерода, так как выделения цементной фазы могут заметно ухудшать вязкость стали.

Таким образом, при комнатной температуре сталь взятого состава (0,3 % С) в точке f состоит из двух фаз: феррита и цементита, а структурные составляющие стали (после медленного охлаждения) будут представлены так:

феррит+перлит, т. е. α + (α + Fе₃С).

При этом третичный цементит не учитывается.

На рис. 5 изображена микроструктура стали с 0,3 % С после медленного охлаждения (отжига). Обнаруживаются зерна феррита и перлита, иначе называемого феррито-карбиднойсмесью (ФКС). Светлые зерна структуры представляют собой феррит, а темные – перлит.

Рис. 5. Микроструктура доэвтектоидной стали

Точка S диаграммы (0,8 % С) называется эвтектоидной точкой, а вся линия РSК - линией эвтектоидного или перлитного превращения.По отношению к эвтектоидной точке S стали делятся:

- на доэвтектоидные (содержащие до 0,8 % углерода);

- эвтектоидную (0,8 %);

- заэвтектоидные (содержащие углерода от 0,8 до 2,14 %).

Следовательно, доэвтектоидные стали при комнатной температуре после медленного охлаждения имеют одни и те же структурные составляющие: избыточный феррит + перлит, но в разных количествах в зависимости от содержания углерода.

Вторичная кристаллизация эвтектоидной стали (0,8 %) начинается сразу с эвтектоидного превращения:

γ_S → a_P + Fe₃C.

Относительное количество фаз соответственно сразу после превращения:

a = ∙100 % = ∙100 % = 88,3 %;

Fe₃C = ∙100 % = ∙100 % = 11,7 %.

При комнатной температуре фазовый состав – 88,3 % феррита и 11,7 % цементита, структурная составляющая одна – перлит. Микроструктура такой стали приведена на рис. 6. Заметно, что перлит имеет характерное строение с чередующимися полосками феррита и цементита, причем в каждом зерне перлита ориентировка полосок своя, отличная от таковой в соседнем зерне.

Рис. 6. Микроструктура эвтектоидной стали

Сплав 6(1,2 % С). После завершения первичной кристаллизации сталь охлаждается в аустенитном состоянии. Исходя из положения линии ES, можно установить, что аустенит стали с 1,2 % С вплоть до точки l (на линии ES) оказывается ненасыщенным углеродом. По достижении температуры точки l (рис. 4) аустенит становится предельно насыщенным углеродом, и так как растворимость углерода при охлаждении уменьшается (согласно линии ES), то, начиная с точки l, из аустенита выделяется избыток углерода в виде Fе₃С, называемый вторичным (избыточным) цементитом (Fe₃C)_II.

Чуть выше линии PSK сплавбудет состоять из двух фаз – аустенита и вторичного цементита. Применяя правило рычага, можно установить, что весовое количество цементита и аустенита:

γ = ∙100 % = ∙100 % = 93,2 %;

Fe₃C = ∙100 % = ∙100 % = 6,8 %.

Таким образом, перед превращением сплав состоит из (93,2 % γ+ + 6,8 % (Fe₃C)_II). Структурные и фазовые составляющие совпадают.

По достижении точки т аустенит содержит 0,8 % С (точка S) и претерпевает уже известное нам эвтектоидное превращение:

γ_S → a_P + Fe₃C.

Вторичный цементит, выделившийся в интервале температур от точки l до точки m, в этом превращении не участвует. Сразу после превращения:

a = ∙100 % = ∙100 % = 82,3 %;

Fe₃C = ∙100 % = ∙100 % = 17,7 %.

17,7 % – это общее количество цементита в сплаве, он включает в себя и 6,8 % избыточного (Fe₃C)_II, выделившегося в интервале lm, и цементит перлита: 17,7 %-6,8 %=10,9 %. Таким образом, получаем

6,8 % (Fe₃C)_II + (82,3 % a + 10,9 % Fe₃C)_перлит.

При дальнейшем охлаждении вплоть до точки r фазовые и структурные составляющие стали не изменяются (не забывать о поправке, сделанной при разборе сплава 5 в связи с ходом линии PQ). Сплав состоит из двух фаз феррита и цементита, а структурные составляющие стали представлены так:

цементит + перлит, т. е. (Fe₃C)_II + (α+Fе₃С).

Микроструктура такой стали представлена на рис. 7. Здесь, наряду с перлитом, присутствует вторичный (избыточный) цементит (белая сетка вокруг зерен перлита).

При травлении шлифа обычными реактивами цементит не травится и так же, как феррит, остается чисто белым, поэтому, чтобы отличить белую сетку цементита от ферритной, нужен определенный навык исследователя или специальные методы испытаний.

При изучении микроструктур сталей часто возникает вопрос, почему перлит «темный», если феррит и цементит, как только что было рассмотрено, – это «светлые» фазы? Повторимся, перлит – это двухфазная структурная составляющая, а фазы, ее образующие, – это феррит и цементит, имеющие различную травимость. В этом случае на поверхности шлифа образуется сложный рельеф, приводящий к рассеянию падающего света.

Рис. 7. Микроструктура заэвтектоидной стали

Таким образом, заэвтектоидные стали при комнатной температуре после медленного охлаждения имеют одни и те же структурные составляющие: вторичный избыточный цементит + перлит, но в разных относительных количествах в зависимости от содержания углерода.