5. Фазовые превращения доэвтектоидных сталей

Для закрепления вышеизложенного материала рассмотрим закономерности превращений при охлаждении сталей с содержанием углерода 0,4 и 0,6 % (стали 40 и стали 60).

При охлаждении обеих сталей из жидкого состояния до температур, соответствующих линии АС, структурные превращения отсутствуют. В силу того, что количество углерода оказывает влияние на температуру начала кристаллизации, по линии АС мы отмечаем, что сталь 40 начинает кристаллизоваться при меньшей степени переохлаждения, чем сталь 60. Как отмечалось выше, большее содержание углерода в сталях определяет необходимость большей энергии кристаллизации, что обеспечивается только большей степенью переохлаждения.

При дальнейшем охлаждении сталей все большее количество железа переходит в твердое состояние, в связи с чем в остающейся жидкости увеличивается относительное количество углерода, а это означает, что кристаллизация при данной температуре прекращается и для дальнейшей кристаллизации требуется дальнейшее переохлаждение. При температурах, соответствующих линии АЕ, кристаллизация обеих сплавов заканчивается ликвидацией жидкости – сплавы полностью переходят в твердое состояние. Отметим, что для стали 60 кристаллизация заканчивается при более низкой температуре, чем стали 40, из-за большего содержания углерода. В обоих случаях структуры сплавов: аустенит (твердый раствор углерода в гранецентрированной решетке). В стали 40 в аустените в растворенном состоянии 0,40% углерода, в стали 60- 0,40%.

При дальнейшем охлаждении сплавов до температур, соответствующих линии GS, превращения в рассматриваемых сталях отсутствуют.

Ниже линии GS гранецентрированная решетка превращается в объемноцентрированную. Объем решетки не может вместить все количество углерода, которое было в исходной решетке. Появляется избыточный углерод в количестве 0,4 – 0,02=0,38 (%) для стали 40 и 0,60- 0,02= 0,58(%) для стали 60.

В том и другом случае избыточный углерод перераспределяется во внутренних зернах оставшегося аустенита, что обуславливает дальнейшие их превращения только с понижением температуры. Эти превращения происходят при охлаждении до температур линии РS.

Ниже этой линии окончательно формируются структуры сталей: для стали 40 - феррит + перлит, для стали 60 - феррит + перлит, при этом количество перлита в стали 60 несколько больше из- за большего количества углерода. Отметим, что в стали 80 структура чисто перлитная, так как весь углерод (0,8 %) вмещается в зернах перлита.

По структуре стали подразделяются на доэвтектоидные - содержание углерода менее 0,8 %, эвтектоидную - содержание углерода равно 0,8%, и заэвтектоидные - содержание углерода более 0,8 %.

Кристаллизация заэвтектоидных сталей начинается при достижении температур, соответствующих линии АС, и заканчиваются при температурах, соответствующих линии АЕ. Превращения между линиями происходят по закономерностям, описанным для доэвтектоидных сталей. На линии АЕ заканчивается кристаллизация, структура стали чисто аустенитная, При этом имеет место полное растворение углерода в γ – решетке . Объем решетки на линии АЕ может помещать много больше углерода, чем его содержится во всех заэвтектоидных сталях. При температуре 1147⁰С, соответствующей линии ECF, объем кристаллической решетки железа может помещать 2,14 % С. Поскольку в сплавах, соответствующих линии АЕ, содержится углерода меньше 2,14 %, это означает, что не весь объем кристаллической решетки железа заполняется углеродом. С понижением температуры ниже линии АЕ происходит естественное уменьшение объема решетки, в связи с чем заполненность объема решетки увеличивается, так как содержание углерода остается постоянным, а объем решетки уменьшается. При достижении температур, соответствующих линии SE, имеет место соответствие объема кристаллической решетки содержанию углерода, то есть практически на линии SE решетка полностью заполнена углеродом. Линия SE показывает, что с увеличением содержания углерода (выше 0,8 % - т.S) соответствие объема содержанию углерода имеет место при все более высокой температуре. Чем больше углерода, тем при более высокой температуре имеется соответствие объема содержанию углерода. Поэтому принято считать вышеуказанную линию линией стабилизации.

При охлаждении стали с содержанием углерода более 0,8% ниже температуры линии SE закономерное уменьшение объема решетки приводит к вытеснению избыточного углерода из решетки. Вытесненный свободный углерод не может разместиться в соседних решетках и в соседних зернах, поскольку соседние решетки и, в целом зерна, так же вытесняют избыточный углерод. Углерод может диффузионным путем (путем перемещения) размещаться только по границам зерен, где имеют место несовершенства строения из-за неравнонаправленности кристаллографических плоскостей, обусловленных даже мельчайшими отклонениями направлений отвода тепла при кристаллизации.

По мере охлаждения сплава все большее количество углерода вытесняется из кристаллической решетки и собирается по границам зерен. В силу высокой химической активности железа и углерода (температура сплава выше 750⁰С), железо и углерод образуют химическое соединение - цементит Fe₃C.

Чем ниже температура сплава, тем значительнее по размерам будут цементитные включения вокруг зерен. При содержании углерода 1,3 % вокруг всех зерен аустенита образуется сплошная оболочка цементита. При содержании в сплавах более 1,3% увеличенное количество углерода определяет сплошную цементитную оболочку вокруг зерен аустенита и чем больше углерода, тем все более «мощной» становится оболочка цементита. При содержании углерода менее 1,3%. «недостаток углерода» определяет невозможность образования сплошной цельной оболочки цементита вокруг аустенита.

В силу особенностей прочностных свойств цементита (σ_в = 3 кг/мм², δ = 0, НВ = 800) стали с содержанием углерода выше 1,3% имеют низкую ударную вязкость и малую прочность, характеризуются высокой твердостью и хрупкостью. Поэтому использование таких сталей без специальной обработки ограничено.

При понижении температуры ниже линии PSK движущая энергия превращений определяет закономерность превращения γ - железа в α - железо: последовательно образуются на первой стадии зародыши, на второй стадии эти зародыши растут. Центры рекристаллизации в твердом состоянии образуются по границам зерен, так как от них начинается отвод тепла. В силу большей подвижности углерода и действия природного закона « родства элементов друг к другу» углерод концентрируется до образования зародыша цементита. поэтому происходит обеднение близлежащих объемов сплава углеродом. Углеродные частицы концентрируются вокруг зародыша и формируют зерна цементита. В обедненных углеродом объемах, окружающих цементит, образуются зародыши феррита и формируются зерна феррита. Повторяясь многократно в пределах зерна аустенита этот процесс, приводит к образованию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок цементита и перлита

В образовании перлита главенствующая роль принадлежит цементиту, а точнее - углероду. Углерод обладает большей проникающей способностью в силу своих размеров и в соответствии с законом сродства элементов друг другу быстрее накапливается до концентрации углерода в цементите. Достигнув необходимой концентрации, углерод соединяется c железом в химическое соединение - цементит, чему способствуют высокие температуры.

В пределах старого зерна аустенита образование новых зародышей (в зависимости от степени переохлаждения большее или меньшее количество) происходит на границах старого зерна. При большей скорости охлаждения больше зародышей, при меньшей - наоборот. В целом, в пределах старого зерна получается несколько зерен аустенита, то есть осуществляется процесс разукрупнения. Весь процесс превращения подчиняется общим законом кристаллизации – это образование зародышей, их рост во всех направлениях до встречи с другим зародышем. Размер этих вновь полученных зерен определяется скоростью охлаждения. При этом, чем мельче будет структура, тем прочнее получаемый сплав.