Изотермическое превращение аустенита эвтектоидной стали
Длительность инкубационного периода характеризует устойчивость переохлаждённого аустенита. С увеличением переохлаждения устойчивость аустенита уменьшается, достигая минимума при 550°С, после чего вновь возрастает.
При температуре наименьшей устойчивости аустенита (550°С) скорость превращения очень велика.
В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области превращения: перлитную область, область промежуточного превращения и мартенситную область.
Перлитная областьраспространяется на интервал температур от точки Ai до изгиба изотермической диаграммы (~ 550°С).
Промежуточное превращениепротекает при температурах от изгиба кривой изотермического распада аустенита до точки Мн.
Ниже температуры, соответствующей точке Мн, находится область мартенситного превращения.
В перлитной области(т.е. от температур т. Ai до 550°С) скорость диффузии Fe и С достаточна для реализации соответствующих фазовых превращений.
В области температур 550°С - точка Мн - достаточной диффузионной подвижностью обладает только углерод, а диффузии атомов Fe практически не происходит.
Ниже линии Мн ( ~ 200°С) диффузионная подвижность атомов Fe и С практически равна нулю, и превращения могут протекать только бездиффузионным путём.
Перлитное превращениепереохлаждённого аустенита по своему механизму является диффузионным.
Ведущей фазой является цементит. Его зародыши образуются на границе зёрен аустенита, где легко возникают флуктуации углерода, необходимые для образования цементита. Рост зародыша цементита идёт за счёт диффузии углерода из прилегающих объёмов аустенита. Это приводит к обеднению углеродом аустенита, окружающего образовавшуюся пластинку цементита, и способствует превращению аустенита в феррит. Превращение участков аустенита, обеднённого углеродом, в феррит происходит в результате диффузионного превращения атомов железа.
При высокой температуре, углерод может диффундировать на большие расстояния, в результате образуется грубая ферритно- цементитная смесь, называемая перлитом.
При более низких температурах, а следовательно, при больших степенях переохлаждения, дисперсность структур возрастает. Такой более тонкого строения перлит получил название сорбита.
При ещё более низкой температуре дисперсность продуктов возрастает, и образуется очень тонкая ферритно-цементитная смесь. Такую структуру называют троститом.
Таким образом, перлит, сорбит, тростит - структуры с одинаковой природой (Ф + Ц), отличающиеся степенью дисперсности феррита и цементита.
Участки аустенита, обеднённого углеродом, претерпевают бездиффузионное превращение у—>а. Образовавшийся М распадается на ферритно-цементитную смесь.
Из участков аустенита, обогащенных углеродом, выделяются частички цементита. Цементит образуется по диффузионному механизму, превращается бездиффузионным путём (в пересыщенный а-твёрдый раствор) М.
В результате промежуточного превращения образуется структура, состоящая из смеси а-фазы, несколько пересыщенной углеродом, и цементита, которая называется бейнитом или игольчатым троститом.
Таким образом, промежуточное превращение сочетает в себе диффузионный и бездиффузионный механизмы превращения аустенита.
Мартенситное превращение (третье основное превращение в стали)
Мартенситное превращение имеет место в том случае, если в результате быстрого охлаждения аустенит был переохлаждён до низких температур (ниже Мн). Ниже Мн практически отсутствует диффузия углерода и железа, следовательно, диффузионное превращение аустенита в какие-то другие фазы в этом случае невозможно.
Мартенситное превращение в отличие от перлитного и промежуточного носит бездиффузионный характер, т.е. не сопровождается диффузионным перераспределением углерода и железа.
При мартенситном превращении происходит перестройка кубической решетки аустенита, который, как известно, при температурах ниже точки А] неустойчив, в кубическую. При этом важно отметить, что выделения углерода не происходит, т.е. весь углерод, который был в у-железе, переходит в решетку а-железа.
Таким образом, при аустенитно-мартенситном превращении — происходит только перестройка решетки без изменения концентрации реагирующих фаз, т.е. превращение является бездиффузионным.
Мартенсит является перенасыщенным твердым раствором углерода в а-железе с такой же концентрацией, как и у исходного аустенита.
Мартенситное превращение осуществляется путем сдвига, т.е. упорядоченным переходом атомов Fe из а в у. При перестройке решетки атомы не обмениваются местами, а только смещаются друг относительно друга на расстояние, не превышающее межатомное. В результате сдвига или
При нагреве до 200oС происходит перераспределение углерода в мартенсите. Образуются пластинки – карбидов толщиной несколько атомных диаметров. На образование карбидов углерод расходуется только из участков мартенсита, окружающих кристаллы выделившихся карбидов. Концентрация углерода на этих участках резко падает, тогда как удаленные участки сохраняют концентрацию углерода. В стали присутсвуют карбиды и два -твердых раствора мартенсита (с высокой и низкой концентрацией углерода. Такой тип распада мартенсита называется прерывистым. Скорость диффузии мала, карбиды не увеличиваются, распад мартенсита сопровождается зарождением новых карбидных частиц. Таким образом имеем структуру с неравномерным распределением углерода – это мартенсит отпуска. При этом несколько снижается тетрагональность решетки.
При нагреве до 300oС идет рост образовавшихся карбидов. Карбиды выделяются из мартенсита и он обедняется углеродом. Диффузия углерода увеличивается и карбиды растут в результате притока углерода из областей твердого раствора с высокой его концентрацией. Кристаллическая решетка карбидов когерентно связана с решеткой мартенсита.
В высокоуглеродистых сталях аустенит остаточный превращается в мартенсит отпуска. Наблюдается снижение тетрагональности решетки и внутренних напряжений. Структура – мартенсит отпуска:
При нагреве до 400oС весь избыточный углерод выделяется из . Карбидные частицы полностью обособляются, приобретают строение цементита, и начинают расти. Форма карбидных частиц приближается к сферической.
Высокодисперсная смесь феррита и цементита называется троостит отпуска;
При нагреве выше 400oС изменение фазового состава не происходит, изменяется только микроструктура. Имеет место рост и сфероидизация цементита. Наблюдается растворение мелких и рост крупных карбидных частиц.
При температуре 550…600oС имеем сорбит отпуска. Карбиды имеют зернистое строение. Улучшаются свойства стали.
При температуре 650…700oС получают более грубую ферритно- цементитную смесь – перлит отпуска (зернистый перлит).
Термическая обработка