9.3.2.1. Перлитное превращение аустенита
Рассмотрим перлитное превращение на примере эвтектоидной стали (рис.9.4). Изотермический распад аустенита этой стали происходит в интервале температур от Аr1 до Mн (720-250оС). Mн – температура начала мартенситного превращения. Аr1 – температура точки А1 при охлаждении. Мартенситного превращения эвтектоидной стали при постоянной температуре ниже точки Mн не происходит. Левее линии 1 – существует переохлажденный аустенит. Между точками 1 и 2 - область, в которой происходит превращение. Правее линии 2 – область, в которой существуют продукты превращения аустенита.
Устойчивость аустенита зависит от степени переохлаждения. Наименьшей устойчивостью аустенит обладает при температуре около 550оС. Для эвтектоидной стали время устойчивости аустенита - ≈1с. При увеличении или уменьшении температуры, устойчивость аустенита возрастает. При 700оС она равна ≈10с, при 300оС – около 60 с.
Превращение аустенита в интервале температур Аr1-550оС называется перлитным, а при температуре 550оС-Мн – промежуточным.
В интервале температур перлитного превращения в результате распада аустенита образуются пластинчатые структуры перлитного типа (из кристаллов феррита и цементита). Строение перлитной структуры зависит от температуры превращения. С увеличением степени переохлаждения снижается размер кристаллов, т.е. возрастает дисперсность перлитно-цементитной смеси. Если превращение происходит при температуре, большей 650-670оС, образуется сравнительно грубая смесь кристаллов феррита и цементита с межпластиночным расстоянием (5-7)*10-7 м. Такую смесь называют собственно перлитом. Превращение при 640-590оС дает межпластиночное расстояние (3-4)*10-7 м, такую смесь называют сорбитом. При температуре превращения 580-550оС межпластиночное расстояние снижается до (1-2)*10-7 м, такую структуру называют трооститом.
При перлитном превращении полиморфный переход γ→α сопровождается перераспределением углерода на расстояния, значительно больше межатомных, т.к. среднее содержание углерода в твердом растворе до превращения меньше, чем в цементите (6,69% С).
Несмотря на то, что с понижением температуры подвижность атомов железа и углерода снижается, скорость перлитного превращения возрастает до 550оС. Это объясняется тем, что с увеличением степени переохлаждения быстро растет число центров кристаллизации и, следовательно, расстояния, на которые должны переместиться атомы, уменьшаются.
9.3.2.2. Мартенситное превращение аустенита
В подавляющем большинстве сталей мартенситное превращение в изотермических условиях не развивается. Поэтому на предыдущем рисунке область мартенситного превращения (ниже линии Мн) показана условно.
Мартенситное превращение интенсивно протекает в интервале температур от Мн до Мк при интенсивном охлаждении. Малейшая изотермическая выдержка приводит к стабилизации аустенита и превращение не доходит до конца.
Итак, при охлаждении стали со скоростью, большей vкрит (критическая скорость закалки, определяется экспериментально) будет образовываться мартенсит – неравновесная фаза – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Feα (рис.9.4-9.8). Кристаллы растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали (≈5000 м/с). Их росту препятствует граница зерен аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита (рис. 9.3.4).
Рис. 9.5. Кристаллическая структура мартенсита а - кристаллическая решетка,
б – зависимость отношения с/а от % содержания углерода
Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные.
Для мартенситного превращения характерно, что растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы.
Когерентными считаются два кристалла, если они соприкасаются по такой поверхности раздела, которая является общей для их кристаллических решеток.
В процессе мартенситного γ→α превращения углерод остается в твердом растворе, искажая кристаллическую решетку Feα т.к. растворимость его в Feα значительно меньше, чем в Feγ.
Рис. 9.6. Схема образования кристаллов мартенсита в одном зерне аустенита
Свойства мартенсита сталей зависят от количества растворенного в нем углерода. Мартенсит имеет очень высокую твердость ≥60HRC, при содержании углерода >0,4%. С увеличением количества углерода возрастает хрупкость мартенсита. Мартенситное превращение сопровождается увеличением объема.
Если температура Мк>20-25оС, небольшое количество остаточного аустенита остается в стали.
а б
Рис.9.7. Мартенсит (а) реечный, (б) игольчатый (схема)
Рис. 9.8. Микроструктура мартенсита стали 45 после закалки
с оптимальной температуры 850°С. х 500