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 (рисунок 7). Ріст пластинок супроводжується дифу­зійним перерозподілом вуглецю перед фронтом росту.

Рисунок 7 - Схема виникнення й росту перлітного зерна:

І— аустеніт А; II — утворення зародку цементиту Ц на границі зерна аустеніту; III — утворення пластин цементиту й фериту Ф; IV...VI — ріст й утворення нових пластин цементиту й фериту (перліту); 1 — висока концентрація вуглецю — цементит (6,67 %С); 2 — низька концентрація вуглецю — ферит (< 0,02 %С)

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. Водно­час 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 видимі при середніх збільшеннях мікроскопа. За більшого переохолодження росте дисперсність фаз фериту й це­ментиту. Такий дисперсніший 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. Дисперсність перліту, сорбіту й трооститу визначається середньою сумарною товщиною пластинок фериту й цементиту — міжпластинчастою відстанню ∆₀, яка є важливою структурною характеристикою, що визначає механічні властивості сталі. Зі збільшенням дисперсності фаз підвищується твердість НВ сталі (таблиця 1).

Таблиця 1 - Твердість структур евтектоїдної сталі

Характеристика	Структура
	перліт	сорбіт	троостит
∆0, мкм	0,6...1,0	0,25...0,3	0.1...0.15
НВ	180...250	250...350	350...450

Мартенситне перетворення у вуглецевій сталі

Мартенситом називають пересичений твердий розчин про­никнення вуглецю в α-залізі. Мартенсит утворюється зі сильно переохолодженого аустеніту під час поліморфного перетворен­ня кристалічної ґратки γ-заліза (ГКЦ) у кристалічну ґратку 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 (рисунок 8), в якій параметр с більший від а. З підвищенням вмісту вуглецю висота с тетрагональної призми збільшується. Водночас збільшується й співвідношення с/а.

Кристали мартенситу в площині шліфа виглядають як пара­лельні або розташовані під кутом 60 і 120 ⁰ пластини (рисунок 9), що пояснюється утворенням мартенситу лише в певних крис­талографічних площинах. По цих площинах кристал мартенси­ту, що росте, й кристал вихідного аустеніту пов'язані (когерент­ні) від латинського (зв'язок). Два кристали є коге­рентними, якщо кристалічні ґратки пов'язані в певній кристало­графічній площині. Оскільки мартенсит та аустеніт мають різ­ні питомі об'єми, то в площинах зв'язку

Рисунок 8 - Елементарна кристалічна комірка мартенситу:

а, с — параметри комірки; О — атом заліза; ● — атом вуглецю

виникають напруження, що перевищують границю текучості. Ці напруження зумовлю­ють порушення когерентності й утворення міжфазової границі з невпорядкованим розташуванням атомів.

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

Рисунок 9 - Мартенситні голки в дуже грубозернистому аустеніті х 500

Під час охолодження аустеніт починає перетворюватися в мартенсит з певної початкової температури М_П , яка не зале­жить від швидкості охолодження, на противагу перлітному пере­творенню. Закінчується мартенситне перетворення при кінцевій температурі М_К. Таким чином, мартенсит утворюється переважно в інтервалі температур М_П...М_К. Якщо призупинити 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 (рисунок 10). Як бачимо, зі зниженням температури сталі частка утвореного мартенситу збільшується, причому не внаслідок росту криста­лів, а через утворення нових кристалів. При кінцевій температу­рі мартенситного перетворення М_К ще залишається певна кіль­кість не перетвореного аустеніту А, який називають залишковим аустенітом. Що нижча температура М_К, то його більше в загар­тованій сталі. Залишковий аустеніт спричинює неоднорідність властивостей загартованої сталі.

Рисунок 10 - Мартенситна крива

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 (рисунок 11). За концентрації вугле­цю понад 0,5 % мартенситне перетворення зсувається в зону мінусових 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 характеризується висо­кою твердістю (до 65 HRC), міцністю та крихкістю.

Рисунок 11- Залежність температури початку М_П й кінця М_К мартенситного перетворення від концентра­ції вуглецю в сталі