Превращения сталей в твердом состоянии

Большинство технологических операций (термическая обработка, об­работка давлением и др.) проводят в твердом состоянии, поэтому рассмо­трим более подробно превращения сталей при температурах ниже темпе­ратур кристаллизации (ниже линии NJE).

Рассмотрим превращения, протекающие в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области (рис. 6.3а).

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02% С (точка Рдиа­граммы), называют техническим железом.

Рис.6.3. Часть диаграммы состояния Fe – Fе₃С для спла­вов, не испытывающих (а) и испытывающих (б) эвтектоидное.

Если углерода содержится меньше 0,0002% (сплав I), то при охлаждении от температуры точки 1до температуры точки 2происходит пе­рекристаллизация аустенита в феррит. Однофазная ферритная структура сохраняется вплоть до комнатной температуры (20 - 25°С).

При содержании углерода в техническом железе больше 0,0002% (сплав II на рис6.3.а) после образования феррита, начиная с темпера­туры точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (линия PQ). Конечная структура будет двух­фазной: феррит и третичный цементит, причем цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных зерен. Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность.

При 20 - 25°С третичный цементит имеется во всех железоуглеро­дистых сплавах, содержащих более 0,0002%С. Однако роль третичного цементита в формировании свойств невелика, так как его содержание ма­ло по сравнению с цементитом, выделившимся при других фазовых пре­вращениях. Обычно при рассмотрении структуры сплавов с содержанием углерода более 0,02% о третичном цементите не упоминают.

Сплав II (рис. 6.3б)с содержанием 0,8%С называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии PSKпроисходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02% С и цементит. Такую смесь двух фаз называют перли­том (рис.6.3б). Эвтектоидное превращение идет при постоянных тем­пературе и составе фаз, так как в процессе одновременно участвуют три фазы и число степеней свободы равно нулю.

Сплав I (см. рис. 6.3б)с содержанием углерода менее 0,8% называ­ют доэвтектоидной сталью. Эвтектоидному превращению в таких сталях предшествует частичное превращение аустенита в феррит в интервале температур точек 1 - 2. При температуре точки bфазовый состав сплава А_C + Ф_A. Количественное соотношение аустенита и феррита соответствен­но определяется отношением отрезков ab и be.

При температуре точки 2сплав имеет фазовый состав A_S + Ф_Pс ко­личественным соотношением фаз соответственно Р2и 2S. В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вме­сте с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали.

Количественное соотношение между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. Следовательно, зная содержание угле­рода в доэвтектоидной стали, можно заранее предвидеть ее структуру в стабильном состоянии.

Сплав III (рис. 3б)— заэвтектоидная сталь (> 0,8% С). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3 - 4предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (Ц_II). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ESдиаграммы. В результате при охлаждении до температуры точки 4аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8% и на линии PSKиспытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выгля­дят светлой сеткой (см. на фотографиях). Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20%) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.