Распад аустенита на ферритоцементитную смесь при охлаждении

Скорость эвтектоидного распада аустенита зависит от степени переохлаждения. Снижение температуры (увеличение степени переохлаждения), с одной стороны, увеличивает разность свободных энергий аустенита и перлита, что ускоряет превращение, а с другой – сопровождается уменьшением скорости диффузии углерода, что замедляет превращение. Суммарное действие обоих факторов приводит к тому, что вначале, с увеличением степени переохлаждения, скорость превращения аустенита в перлит возрастает, достигает при каком-то значении переохлаждения максимума, а затем убывает. При 727°С скорость превращения равна нулю, так как при этой температуре равна нулю разность свободных энергий аустенита и перлита, а при температурах ниже 200°С скорость превращения также равна нулю, так как при этих температурах практически равна нулю скорость диффузии углерода.

Кинетика эвтектоидного превышения аустенита изображается С-образными кривыми на диаграмме изотермического превращения переохлаждённого аустенита (рис. 2.3). С-образные кривые строят следующим образом.

Тонкие стальные образцы с содержанием 0,8% углерода нагревают до температуры выше Ас1 (до полной аустенизации), и затем быстро переносят в соляную ванну с температурой, до которой нужно переохладить аустенит. Начало и конец распада аустенита при данной температуре можно определить несколькими методами, но самый надёжный и удобный – магнитометрический. При эвтектоидном превращении аустенита сталь переходит из парамагнитного в ферромагнитное состояние (аустенит парамагнетен, феррит – ферромагнетен). Магнитометрический метод позволяет количественно определить степень превращения аустенита в любой момент изотермической выдержки, так как интенсивность намагничивания образца пропорциональна количеству образовавшегося феррита.

В эвтектоидной стали при температурах около 550°С переохлаждённый аустенит наименее устойчив (см. рис. 2.3).

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области его превращения: перлитную, промежуточного превращения и мартенситную.

Перлитное превращение

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).

Распад аустенита на ферритоцементитную смесь при охлаждении - student2.ru

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).

Распад аустенита на ферритоцементитную смесь при охлаждении - student2.ru

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).

Распад аустенита на ферритоцементитную смесь при охлаждении - student2.ru

Рис. 2.5. Схема перераспределения углерода на фронте

перлитного превращения

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).

Распад аустенита на ферритоцементитную смесь при охлаждении - student2.ru

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).

Распад аустенита на ферритоцементитную смесь при охлаждении - student2.ru

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).

Наши рекомендации