2.2.3.Перлитное превращение.
Применительно к теории и технологии отжига второго рода, а также других видов термической обработки, основанных на процессах фазовой перекристаллизации, наибольшее значение имеет эвтектоидное (перлитное) превращение.
Это превращение обусловливает возможность осуществления основных видов термической обработки сталей и чугунов, регулирования их структуры и свойств.
Кроме того, важную роль в структурных изменениях, определяющих результаты отжига второго рода, играют процессы полиморфного превращения аустенита в феррит с образованием избыточной ферритной структурной составляющей в доэвтектоидных сталях, а также выделения вторичного цементита в заэвтектоидных.
Прямое эвтектоидное (перлитное) превращение заключается в одновременном выделении двух фаз (феррита и цементита) из переохлажденного твердого раствора (аустенита) в изотермических условиях либо при непрерывном охлаждении.
Смесь фаз, состоящая из мелких, регулярно чередующихся частиц, связанных между собою силами физико-химического взаимодействия, имеющая единый средний химический состав и однородные свойства, называется эвтектоидом. Применительно к системе железо - углерод такая смесь носит название перлит.
В чистом виде эвтектоидный распад аустенита на феррито-цементитную смесь происходит в эвтектоидной стали с содержанием углерода 0,8%. Точкой фазового равновесия такого превращения является точка S на диаграмме железо - углерод. Этой точке соответствует трехфазное равновесие аустенита состава точки S с ферритом, состава точки Р и цементитом состава точкиК.
При очень малых степенях переохлаждения (10 - 20 °С) формируется структура зернистого перлита. Сталь с такой структурой имеет самую низкую твердость и повышенную пластичность.
Структура пластинчатого перлита образуется при степенях переохлаждения 30 - 70 °С (режим 2 на рис. 1.5). Он может быть также получен при непрерывном охлаждении изделий вместе с печью со скоростью несколько градусов в минуту. Пластинчатое строение перлита хорошо разрешается при металлографических исследованиях с помощью светового микроскопа даже при небольших увеличениях (х100 - 200 раз).
Основной количественной характеристикой структуры пластинчатого перлита является межпластиночное расстояние, представляющее собой суммарную толщину единичной ячейки, включающей ферритную и цементитную пластинки. Межпластиночное расстояние пластинчатого перлита составляет 0,5 - 1,0 мкм. Твердость пластинчатого перлита эвтектоидного состава составляет 170 - 230 НВ. Стали, имеющие перлитную структуру, характеризуются хорошей обрабатываемостью резанием, достаточно высокой пластичностью, хотя и более низкой, чем стали со структурой зернистого перлита. Структура пластинчатого перлита является основной структурной составляющей большинства углеродистых и многих легированных сталей в состоянии поставки с металлургических заводов.
При степенях переохлаждения 70 - 120 °С (режим 3 на рис. 1.5) формируется пластинчатая структура перлитного типа, межпластиночное расстояние которой составляет 0,2 - 0,4 мкм. Такая структура получила название сорбит.
Кроме режимов термообработки, использующих изотермические условия развития перлитного превращения, структуру сорбита можно получить в условиях непрерывного охлаждения со скоростями несколько десятков градусов в минуту. Для малых сечений (менее 15 - 20 мм) это соответствует охлаждению изделий на спокойном воздухе.
Еще более дисперсные феррито-цементитные структуры, формирующиеся по механизму перлитного превращения, могут быть получены при степенях переохлаждения 150 - 250 °С. Это соответствует процессам распада в интервале температур минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (режим 4 на рис. 1.5).
В условиях непрерывного охлаждения такие степени переохлаждения достигаются при скоростях охлаждения несколько десятков градусов в секунду, что реализуется, например, при охлаждении в струе сжатого воздуха или при погружении образца из углеродистой стали в масло. Межпластиночное расстояния таких структур оказывается менее 0,1 мкм. Их пластинчатое строение при исследованиях на оптических микроскопах не разрешается. Для обнаружения пластинчатого строения в этом случае используют электронный микроскоп с увеличениями х10000 - 20000. Эта структура называется троостит. Твердость троостита самая высокая из всех рассмотренных структур перлитного типа. Она составляет 330 - 400 НВ.
Рисунок 1.5. Схема режимов обработки эвтектоидной стали при различных температурно-временных условиях распада переохлажденного аустенита.
Использование переохлаждений выше 200 - 250 °С (ниже “носа” С-образных кривых - режимы 5 и 6 на рис. 1.5) приводит к получению структур
верхнего и нижнего бейнита, являющихся продуктами промежуточного превращения, существенно отличающегося от перлитного как по механизму, так и по кинетике, а также по типу структурного состояния фаз в стали и ее свойствам; оно в своем механизме содержит элементы диффузионного и бездиффузионного (мартенситного) превращения.
Согласно диаграмме железо - углерод при охлаждении из аустенитного состояния до- и заэвтектоидных сталей фазовые превращения начинаются с выделения из аустенита избыточных фаз: феррита - в доэвтектоидной стали и вторичного цементита - в заэвтектоидной. После переохлаждения стали ниже нижней критической точки такой аустенит претерпевает эвтектоидное перлитное превращение. Таким образом, сталь получает структуру, состоящую из выделившегося на первых этапах фазовой перекристаллизации избыточного феррита (в доэвтектоидной стали) или вторичного цементита (в заэвтектоидной) и перлита, образующегося на завершающем этапе превращений. На изотермических диаграммах распада переохлажденного аустенита выделение избыточного феррита и вторичного цементита отражается появлением дополнительных линий, определяющих кинетику выделения этих структурных составляющих.
При этом уменьшается устойчивость переохлажденного аустенита к распаду, линии перлитного превращения смещаются на диаграммах влево, по времени - к началу координат.
Основным методом повышения устойчивости аустенита к распаду является легирование стали.
Рисунок 1.6. Влияние легирования на вид изотермических диаграмм распада переохлажденного аустенита сталей:
а - в общем виде; б - Х12М, 7Х3; в - 5ХНВ, 40ХНМА; г - 18Х2Н4ВА.
Легирование любыми легирующими элементами, за исключением кобальта, увеличивает устойчивость переохлажденного аустнита к распаду, сдвигая С-образные кривые вправо. Главным образом, такое влияние легирующих элементов обусловлено замедлением диффузионных процессов при легировании.
Легирующие элементы, введенные в сталь, не только сдвигают линии начала и конца перлитного и бейнитного превращения вправо вдоль временной координаты, но также разделяют перлитное и бейнитное превращения на самостоятельные интервалы температур (рис. 1.6).
Легирование стали сильными альфа-стабилизаторами, такими, например, как хром и кремний (стали типа Х12М, 70С3), увеличивает устойчивость аустенита к распаду как в перлитной, так и особенно, в бейнитной температурной области. При этом С-образные кривые, соответствующие бейнитному превращению, располагаются правее таких же кривых для области перлитного превращения (рис. 1.6, б).
Комплексное легирование хромом, никелем, молибденом или вольфрамом вызывает противоположное соотношение влияния легирующих элементов на кинетику перлитного и бейнитного превращений. В данном случае (стали 40ХНМА, 5ХНВ и др.) устойчивость переохлажденного аустенита по отношению к перлитному превращению значительно больше, чем к бейнитному. С-образные кривые, соответствующие распаду на перлит, сдвинуты вправо по отношению к кинетическим кривым бейнитного превращения (рис. 1.6, в). Стали, легированные этими же компонентами, но в большем количестве, например, стали 18Х2Н4ВА, 30ХН3М2ФА и др., характеризуются очень большим сдвигом С-образных кривых перлитного превращения вправо - за пределы реально реализуемых кинетических параметров, в связи с чем, диаграмма изотермического превращения часто изображается без нанесения перлитной области (рис. 1.6, г).
Такие стали, обладающие высокой устойчивостью к распаду аустенита в области температур развития перлитного превращения при охлаждении на воздухе почти всегда получают бейнитную структуру. Это позволило их отнести к классу бейнитных сталей.