5.2.2. Вторичная кристаллизация сталей

Техническое железо. Первичная кристаллизация технического железа и сталей заканчивается образованием γ-фазы, т. е. аустенита. Эта фаза оказывается неустойчивой при дальнейшем охлаждении. В чистом железе переход Fe_Fe_ происходит при 911 °С (точка G). При увеличении содержания углерода температура полиморфного превращения понижается по линии GS до концентрации углерода 0,8 % (точка S) и далее не изменяется – превращение идет по линии SK (727 °С).

С плав I (до 0,006 % С). Центральная часть выделившихся при первичной кристаллизации зерен аустенита менее обогащена углеродом, чем периферийная. При очень медленном охлаждении концентрация выравнивается за счет диффузии углерода. Однако процесс полностью завершиться не успевает. На линии GS в точке 1 (рис. 5.5) начинается превращение аустенита в кристаллы феррита. Первыми полиморфное превращение претерпевают центральные участки зерен аустенита с меньшим содержанием углерода. Переход в -феррит происходит в объеме зерна аустенита не одновременно, и осуществляется, поэтому, в интервале температур между линиями GS и GР. При охлаждении ниже линии GР фазовых превращений нет. Микроструктура сплава состоит из крупных зерен феррита (рис. 5.6,а).

Сплав II (0,006–0,02 % С). До температуры, соответствующей точке 1, в сплаве II происходят процессы, аналогичные процессам, происходящим в сплаве I до линии GР. Структура сплава при температуре, соответствующей точке 2, состоит из кристаллов феррита. При охлаждении сплава до температуры точки 3, фазовых превращений не происходит. Точка 3 находится на линии предельной растворимости углерода в Fe_ (линия QP). «Лишний» углерод вытесняется из решетки феррита и идет на образование мелких кристаллов цементита третичного, который выделяется по границам зерен феррита при медленном охлаждении, либо внутри зерна феррита при быстром охлаждении. При ускоренном охлаждении (закалке) третичный цементит не выделяется. Присутствие третичного цементита снижает пластические свойства, что отрицательно сказывается при холодной штамповке стальных изделий.

С плав IV – эвтектоидная сталь (0,8 % С). Первичная кристаллизация заканчивается образованием аустенита, который при охлаждении до критической температуры 727 °С в эвтектоидной точке S (рис. 5.5) не претерпевает фазовых превращений. При 727 °С в аустените начинается эвтектоидное превращение – образование зародышей феррита и цементита с последующим ростом кристаллов этих фаз. Ведущей фазой при превращении является цементит. Вследствие внутрикристаллической ликвации периферийная часть зерна аустенита более обогащена углеродом, чем центральная. Поэтому зародыши пластинок цементита возникают на границах зерен аустенита и растут вглубь в форме тонких пластин (рис. 5.7). Для роста пластинки цементита необходимо большое количество углерода (6,69 %), которое путем диффузии поступает из соседних участков аустенита. В результате эти участки аустенита обедняются углеродом (с 0,8 до 0,02 %) и при последующем полиморфном превращении Fe_Fe_ по обе стороны пластинки цементита образуются пластинки феррита. Рост пластинок феррита приводит к вытеснению излишков углерода в соседние участки аустенита, где развиваются пластинки цементита. Семейство пластинок феррита и цементита образуют колонию перлита, от границ которой растет новая колония. В одном аустенитном зерне образуется несколько перлитных колоний.

При охлаждении сплава ниже точки S образуется третичный цементит. Излишки углерода выделяются из феррита вследствие ограниченной растворимости углерода (линия QP). В структуре он не виден, так как соединяется с цементитом, входящим в перлит. Структура эвтектоидной стали – перлит: П = Ф_0,02 + Ц_6,69 (рис. 5.6,в).

Сплав III – доэвтектоидная сталь (0,02–0,8 % С). Первичная кристаллизация заканчивается образованием аустенита. При охлаждении до критических температур (линии GS на рис. 5.5) в аустените фазовых превращений не происходит. Полиморфное превращение аустенита в феррит происходит в интервале температур между точками 1 и 2 (рис. 5.5). Первыми превращение претерпевают участки аустенита с более низким содержанием углерода. Так как феррит содержит мало углерода (0,02 %), то его излишки вытесняются в оставшийся аустенит. По мере охлаждения сплава увеличивается количество феррита и концентрация углерода в аустените. Изменение концентрации углерода в аустените можно проследить по линии GS, используя правило отрезков.

По достижении температуры 727 °С аустенит насыщается углеродом до 0,8 % (точка S) и создаются условия для образования перлита:

А_0,8 → П = Ф_0,02 + Ц_6,69 .

После эвтектоидного превращения структура доэвтектоидной стали состоит из крупных зерен феррита и перлита. При дальнейшем охлаждении вследствие ограниченной растворимости (линия QP на рис. 5.5) «лишний» углерод выделяется в виде мелких кристаллов цементита третичного по границам зерен феррита при медленном охлаждении, либо внутри зерна феррита при быстром охлаждении.

Структура сплава состоит из феррита, перлита и цементита третичного. Светлые крупные зерна представляют собой феррит, темные – перлит (рис. 5.6,б). На поверхности протравленного шлифа перлита образуется сложный рельеф, приводящий к рассеянию падающего света. С увеличением содержания углерода в сплаве количество феррита уменьшается, а перлита увеличивается, что повышает такие механические свойства, как твердость, прочность и др.

Сплав V – заэвтектоидная сталь (0,8–2,14 % С). При первичной кристаллизации образуется аустенит. При охлаждении до температуры, соответствующей точке 1 (рис. 5.5), фазовых превращений не происходит. Точка 1 находится на линии предельной растворимости углерода в аустените (линия SE). «Лишний» углерод, вследствие высокой подвижности, выделяется из зерен аустенита на его границах, вступает в реакцию с железом и образует кристаллы цементита вторичного. При охлаждении до температуры 727 °С (точка 2 на рис. 5.5) содержание углерода в аустените понижается до 0,8 % и создаются условия для эвтектоидного превращения. По окончании превращения структура стали состоит из зерен перлита и цементита вторичного, расположенного по границам зерен. При дальнейшем охлаждении вследствие ограниченной растворимости из феррита, входящего в состав перлита, выделяется цементит третичный, который соединяется с цементитом в составе перлита.

Таким образом, структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и цементита вторичного, расположенного в виде сетки по границам зерен перлита (рис. 5.6,г). С увеличением содержания углерода количество вторичного цементита увеличивается: до 20 % в заэвтектоидной стали с содержанием углерода 2,14 %.