Зернистый перлит и пластинчатый перлит

Перлитные структуры могут быть двух типов: пластинчатые и зернистые. В зернистом перлите цементит находится в виде зёрнышек. В пластинчатом перлите цементит находится в виде пластинок (см. рисунок).

Однородный (гомогенный) аустенит всегда превращается в пластинчатый перлит. Нагрев до высокой температуры, когда создаются условия для образования более однородной структуры, способствует появлению пластинчатых структур. Неоднородный аустенит при всех степенях переохлаждения даёт зернистый перлит. Нагрев до невысокой температуры приводит к образованию зернистого перлита (для заэвтектоидной стали ниже А_С3; критическая точка А_С3 - конец растворения вторичного цементита в аустените). Вероятно, образованию зернистого цементита способствуют оставшиеся не растворёнными в аустените частицы, являющиеся дополнительными центрами кристаллизации.

При исходном нагреве стали до 900°C получился пластинчатый перлит, причём более низкая температура даёт более дисперсную структуру. В такой же стали при тех же температурах превращения, но после невысокого нагрева (780°), получился зернистый перлит [1].

Размер цементитных зёрен в перлите зависит от температуры превращения аустенита, а форма цементита в перлите зависит от температуры нагрева (илитемпературы аустенизации).

Свойства перлита

Свойства перлита зависят от типа, размера и формы цементитных зёрен, от расстояния между пластинами, а также от других факторов. Предел прочности пластинчатого перлита 80 кг/мм, относительное удлинение 10-12%. Прочность и твердость зернистого перлита несколько меньше, зато выше пластические свойства. Благодаря α-железу перлит обладает магнитными свойствами.

Твёрдость перлита

Значения твёрдости перлита, в зависимости от структуры и степени дисперсности могут меняться от При более дисперсном строении перлита твёрдость его повышается. Зависимость твёрдости от межпластинчатого расстояния (S) различных перлитных структур представлена в таблице [3]:

.	Перлит	Сорбит	Троостит
S, мкм	0,6-0,7	0,25	0,1
Твёрдость, HB	180	250	400

Значения твёрдости перлита из различных источников: твёрдость пластинчатого перлита 180-230 HB, твёрдость зернистого перлита 160-190 HB.

Влияние легирующих элементов на перлитное превращение

Легирующие элементы оказывают чрезвычайно важное для практики влияние на кинетику распада аустенита. За исключением кобальта, все широко используемые легирующие элементы, растворенные в аустените (Cr, Ni,Mn, W, Mo, V и др.), замедляют перлитное превращение, сдвигая верхнюю часть С-кривой вправо.  Природа увеличения устойчивости переохлажденного аустенита под влиянием легирующих элементов довольно сложная. Если в углеродистых сталях перлитное превращение связано с γ → αперестройкой решетки и диффузионным перераспределением углерода, то в легированных сталях к этому могут добавиться образование специальных карбидов и диффузионное перераспределение легирующих элементов, по-разному растворенных в феррите и карбиде.  Когда сталь в равновесном состоянии должна содержать специальный карбид, возможны несколько вариантов карбидообразования при перлитном превращении. Во-первых, при небольших переохлаждениях из аустенита образуется непосредственно стабильный специальный карбид.  При больших переохлаждениях вместо стабильного может образоваться промежуточный метастабильный карбид, состав которого и (или) структура ближе к аустениту, чем у стабильного карбида. Например, в стали с 0,47%С и 16,2% Cr в интервале 770 — 700 °С образуется стабильный карбид (Cr, Fe)₂₃C₆, а в интервале 650 — 600 °С (Cr, Fе)₂₃С₆ и метастабильный карбид (Fe, Cr)₇С₃.  Образование специального карбида с высоким содержанием углерода и карбидообразующего легирующего элемента требует большого диффузионного перераспределения в аустените обоих компонентов карбида.  Из-за низкой подвижности легирующего элемента это перераспределение может не дойти до стадии образования специального карбида (в том числе и промежуточного), но бывает достаточным для образования легированного цементита (Fe, Ме)3С, в решетке которого легирующий элемент (Me) частично замещает атомы железа и содержится в значительно меньшем количестве, чем в специальном карбиде.  Концентрация легирующего элемента в цементите может даже не отличаться от концентрации его в аустените. С увеличением переохлаждения аустенита возрастает вероятность образования легированного цементита вместо специального карбида.  Если непосредственно из аустенита при перлитном превращении образовалась метастабильная карбидная фаза (промежуточный карбид или легированный цементит), то последующая изотермическая выдержка в перлитном интервале температур способна привести к постепенной замене ее стабильным специальным карбидом путем перераспределения легирующего элемента между ферритом и карбидом. Иногда для этого требуются сотни часов.  Растворенные в аустените легирующие элементы не только сами имеют малый коэффициент диффузии, иногда в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем у углерода, но некоторые из них (Мо, W) замедляют диффузию углерода в γ-решетке. Кроме того, некоторые элементы (Cr, Ni) замедляют γ → α-перестройку, являющуюся составной частью перлитного превращения.  Таким образом, легирующие элементы могут замедлять перлитное превращение по следующим причинам:

1. из-за образования специальных карбидов и необходимости диффузионного перераспределения в аустените легирующих элементов, атомы которых несравненно менее подвижны, чем атомы углерода;

2. из-за замедления диффузии углерода;

3. из-за уменьшения скорости полиморфного γ → α-превращения.

В зависимости от состава стали и степени переохлаждения аустенита решающим может оказаться тот или иной из указанных факторов. Например, при добавке к эвтектоидной углеродистой стали 0,8% Мо продолжительность полного распада аустенита при температуре вблизи изгиба С-кривой возрастает на четыре порядка (!), причиной чего является необходимость диффузионного перераспределения компонентов в аустените в связи с образованием карбида (Fe, Мо)₂₃С₆.  Более сильный эффект оказывает легирование одновременно несколькими элементами. Замедление распада аустенита под действием легирующих элементов широко используют для увеличения прокаливаемости стали (смотрите Нагрев и охлаждение при закалке сталей).

Схематические диаграммы изотермического распада аустенита

Схематические диаграммы изотермического распада аустенита в углеродистой (а) и легированной (б) сталях. При одинаковой скорости охлаждения степень переохлаждения ΔТ₂ > ΔТ₁.

Здесь, в разделе об отжиге 2-го рода, важно отметить, что легирование приводит к большему переохлаждению аустенита при неизменной скорости охлаждения. Так как с увеличением переохлаждения уменьшается межпластиночное расстояние, то при одинаковой скорости охлаждения легированная сталь после перлитного превращения оказывается прочнее.

Вопросы по курсу: «Основы технологических процессов ОМД» Ч1. и Ч.2