V1,v2,v3,v4,vкр – швидкості охолодження;

П - перліт; С - сорбіт; Т - тростит; Б - бейніт

7.4 Перлітне перетворення.

Перлітне перетворення полягає у розпаді аустеніту на дві фази — ферит і цементит. Воно відбувається в такій послідовності. Спочатку в дефектних місцях, переважно на границях зерен аустеніту, зароджуються пластинки цементиту як провідної фази (рис.4). Ріст пластинок супроводжується дифузійним перерозподілом вуглецю перед фронтом росту. Внаслідок цього аустеніт біля пластинки цементиту збіднюється на вуглець. Згодом ці ділянки аустеніту з низькою концентрацією вуглецю поліморфно перетворюються А—>Ф. Ферит, що утворився на границі з цементитом, має вигляд пластинки. В свою чергу на межі з феритною пластинкою аустеніт збагачується вуглецем, що полегшує зародження й ріст сусідньої цементитної пластинки. В результаті виникає пластинчаста структура з двох фаз, які чергуються. Процес триває доти, поки весь аустеніт не перетвориться в перліт. Пластинки фериту й цементиту в структурі перліту легко проглядаються при середніх збільшеннях мікроскопа. За більшого переохолодження росте дисперсність фаз фериту й цементиту. Такий більш дисперсний перліт називають сорбітом. Двофазову будову сорбіту можна виявити лише при великих збільшеннях оптичного мікроскопа. Коли переохолодити ще більше, утворюється структура перлітного типу, яка називається трооститом. Розрізнити фази фериту й цементиту під оптичним мікроскопом в трооститній структурі майже неможливо. Для цього потрібний електронний мікроскоп. Отже, перліт, сорбіт і троостит — двофазові пластинчасті (іноді зернисті) структури з різним ступенем дисперсності. Пластинчасті структури утворюються із однорідного (гомогенного) аустеніту, а зернисті — з неоднорідного (гетерогенного) за вуглецем аустеніту.

7.5 Мартенситне перетворення у вуглецевій сталі.

Мартенситом називають пересичений твердий розчин проникнення вуглецю в а-залізі. Мартенсит утворюється зі сильно переохолодженого аустеніту під час поліморфного перетворення кристалічної ґратки γ-заліза (ГЦК) у кристалічну ґратки α-заліза (ОЦК) без виділення вуглецю з твердого розчину. Якщо в рівноважному стані концентрація вуглецю у фериті не перевищує 0,02%, то концентрація вуглецю в мартенситі така сама як у вихідному аустеніті й може сягати 2,14%. Атоми вуглецю мартенситу перебувають в октаедричних порах елементарної комірки α-заліза й сильно деформують її. В результаті елементарна комірка мартенситу замість кубічної стає тетрагональною (рис.5), в якій параметр с більший від α. З підвищенням вмісту вуглецю висота тетрагональної призми с збільшується. Водночас збільшується й співідношення с/а.

Кристали мартенситу в площині шліфа виглядають як паралельні або розташовані під кутом 60 і 120° пластини (рис 6), що пов'язано з утворенням мартенситу лише в певних кристалографічних площинах. По цих площинах кристал мартенситу, що росте, й кристал вихідного аустеніту спряжені (когерентні від латинського сокаегепііа — зв'язок). Два кристали є когерентними, якщо кристалічні ґратки спряжені в певній кристалографічній площині. Оскільки мартенсит та аустеніт мають різні питомі об'єми, то в площинах спряження виникають напруження, що перевищують границю текучості. Ці напруження спричиняються до порушення когерентності й утворення міжфазової границі з невпорядкованим розташуванням атомів

Рис.5 Елементарна кристалічна комірка мартенситу:

а,с- параметри комірки; О - атом заліза; • — атом вуглецю

Перетворення аустеніту в мартенсит відбувається за зсувовим механізмом коли атоми заліза зсуваються в просторі на незначні (менші міжатомних) відстані відносно сусідніх атомів без обміну місцями. В результаті такого зсуву відбувається миттєве γ→α перетворення з величезною швидкістю (~ 10³ м/с) росту кожної пластини мартенситу. Отже, мартенситне перетворення належить до бездифузійних процесів.

Рис.6 Мартенситні голки в дуже грубозернистому аустеніті х500

Під час охолодження аустеніт починає перетворюватися в мартенсит з певної початкової температури М_п, яка не залежить від швидкості охолодження, протилежно до перлітного перетворення. Закінчується мартенситне перетворення при кінцевій температурі М_к. Таким чином, мартенсит утворюється переважно в інтервалі температур М_П...М_К. Якщо припинити охолодження то мартенситне перетворення зупиниться.

Кінетику мартенситного перетворення в інтервалі температур М_П...М_К часто подають графічно мартенситною кривою, побудованою в координатах частка мартенситу — температура t (рис.7). Як видно з рисунка, зі зниженням температури сталі частка утвореного мартенситу збільшується. При цьому частка мартенситу збільшується не внаслідок росту кристалів, а через утворення нових кристалів. При кінцевій температурі мартенситного перетворення М_К ще залишається певна кількість неперетвореного аустеніту А, який називають залишковим аустенітом. Що нижча температура М_к, то його більше в загартованій сталі. Залишковий аустеніт є причиною неоднорідності властивостей загартованої сталі.

Рис.7 Мартенситна крива: t— температура

На числові значення температур М_п і М_к істотно впливають концентрація вуглецю в сталі та легувальні елементи. Що більша концентрація вуглецю, то нижчий інтервал температур мартенситного перетворення. За концентрації вуглецю понад 0,5% мартенситне перетворення зсувається в область від'ємних температур. Всі легувальні елементи, за винятком кобальту й алюмінію, знижують положення точок М_п і М_к. Мартенситне перетворення на відміну від перлітного не має інкубаційного періоду. Утворений мартенсит відзначається високими твердістю (до 65 НRС), міцністю і крихкістю.