6. Фазовые превращения заэвтектоидных сталей

Рассмотрим кинетику структурных превращений заэвтектоидных сталей У10 и У15 с содержанием углерода в соответствии с марками 1,0 % и 1,5 %. Кристаллизация сплавов начинается при достижении температур, соответствующих линии АС. Линия АС показывает, что кристаллизация стали У15 начинается при более низкой температуре, чем стали У10. Изменения состава фаз – жидкой и твердой составляющих – при охлаждении от линии АС до линии АЕ идентичны ранее изложенным превращениям охлаждающихся доэвтектоидных стали40 и стали 60. В соответствии с законами кристаллизации начало перехода в твердое состояние У15 при более низкой температуре, чем стали У10, объясняется большим содержанием углерода, из-за чего требуются большие затраты энергии на кристаллизацию. Эти же законы определяют разные температуры окончания первичной кристаллизации рассматриваемых сталей- сталь У15 полностью переходит в твердое состояние при более низкой температуре, чем сталь У10.

Охлаждение рассматриваемых сталей ниже температур, соответствующих линии АЕ, не вызывает фазовых и структурных превращений, до температур, соответствующих линии SЕ. Фазовый состав однороден – твердый, структура единая –аустенит. Данная линия является линией стабилизации, т. е. характеризует соответствие объема кристаллической решетки Fe-_Y содержанию углерода. При охлаждении сталей ниже температур этой линии выделившийся избыточный углерод располагается по границам зерна аустенита, образуя вторичный цементит. На линии SK в аустените остается 0,8 % углерода, независимо от исходного содержания его в исходной стали. Остальной углерод образует цементитную оболочку. В стали У10 на образование цементита идет 1,0 – 0,8 = 0,2% углерода, а стали У15 – 1,5 – 0,8 ==0,7% углерода. т.е. с повышением содержания углерода толщина цементитной оболочки увеличивается. В целом при снижении температур ниже линии SE вплоть до конечной ( чаще - до температуры окружающей среды ) в сталях происходит постоянное уменьшение объема кристаллической решетки, постоянное вытеснение избыточного углерода и постоянное увеличение толщины цементитной оболочки. Таким образом, структура заэвтектоидных сталей в обычных условиях состоит из аустенита и цементита.

Превращения в чугунах и их структуры приведены в диаграмме Fe –Fe₃С правее точки Е. Особенностью сплавов с содержанием углерода от 2,14 до 6,67 % является наличие в их структуре ледебурита - эвтектики системы Fe-Fe₃C, представляющей собой механическую смесь перлита и цементита и содержащей 4.3 % углерода.

Закономерности превращений железоуглеродистых сплавов левой и правой частей совершенно одинаковы: на линии ликвидус (АС) начинается кристаллизация, причем при большем содержании углерода кристаллизация начинается при большем переохлаждении (что закономерно и для сталей), кристаллизация завершается на линии солидус (ЕСF). На начальной стадии кристаллизуется аустенит, в остающейся жидкости увеличивается концентрация углерода. При последующем охлаждении сплавов и продолжающейся кристаллизации железа на линии солидус концентрация углерода в жидкости достигает 4,3 % для всех сплавов, расположенных от точки Е до точки С..

Содержание углерода в оставшейся жидкости 4,3% обуславливает эвтектическое превращение жидкости в ледебурит. Поэтому структура сплавов ниже линии ЕС состоит из выкристаллизовавшегося ранее между линиями АС и ЕС аустенита и выкристаллизовавшегося при температуре 1147⁰ С ледебурита. При последующем охлаждении состав аустенита, как и в «стальной» части диаграммы, будет изменяться в соответствии с линией SE, т. е. из аустенита будет выделяться углерод с образованием вторичного цементита. Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита, выделить его в качестве отдельной структурной составляющей не представляется возможным.

При 727⁰ С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит, ниже этой температуры сплав будет иметь структуру перлит плюс ледебурит плюс цементит вторичный. Данный ледебурит представляет равномерную механическую смесь перлита с цементитом.

При охлаждении сплава с содержанием углерода 4,3% при температуре 1147⁰ С (точка С) вся жидкость превращается в равномерную механическую смесь аустенита с цементитом – ледебурит. При дальнейшем охлаждении идет образование кристаллов цементита из аустенита. Дальнейшие превращения идут аналогично ранее рассмотренным сплавам с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %.

Кристаллизация сплавов с содержанием углерода 4,3- 6,67 % имеет свои особенности, связанные со значительным содержанием углерода. Проявляется это прежде всего в том, что на линии ликвидус начинается кристаллизация цементита, который называется первичным, т. к. формируется из жидкого сплава в первую очередь. Первичная кристаллизация цементита обуславливается весьма большим содержанием и высокой активностью углерода, вследствие чего кристаллы бывают крупными. По мере охлаждения данных сплавов концентрация элементов в жидкости изменяется таким образом, что на линии СF оставшаяся жидкость имеет эвтектическую концентрацию и кристаллизуется ледебурит. Ниже вышеуказанной линии структура состоит из цементита первичного и ледебурита.

По мере охлаждения сплавов до 727⁰С происходит выделение цементита вторичного. При 727⁰С происходит эвтектоидное превращение аустенита, структура сплава (окончательная): цемент + ледебурит (равномерная механическая смесь перлита с цементитом). Следует отметить, что цементит в данном случае подразумевается обобщенный (первичный, вторичный и третичный), поскольку выделить их как отдельные составляющие представляется практически невозможным.

При описании диаграмм состояния в классической литературе общеприняты условное обозначение температур, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы Fe-Fe₃C. Все критические температуры принято обозначать буквой «А» с индексами с и r_, добавляемыми: с - при нагреве, r - при охлаждении. Различие в обозначениях связано с тем, что превращения в железоуглеродистых сплавах при нагреве и охлаждении (вследствие теплового гистерезиса) совершаются при различных температурах.

Первая критическая точка А₁ лежит на линии PSK ( 727⁰ C) и соответствует превращению перлита (П) и аустенита (А), если эти превращения происходят при нагреве, то в обозначении критической точки следует добавить букву с , т. е. полное обозначение точки - Ас1. Ас2 соответствует линии МО (768⁰С) – при данной температуре происходят магнитные превращения, структурных превращений нет. Ас3 - линия GOS- линия превращений феррита (Ф) и аустенита (А).

При охлаждении происходят обратные превращения, температуры превращений имеют индекс r.

Учебное издание