2. Формирование в литых сталях и чугунах фаз и структурных составляющих в процессе охлаждения в литейной форме.

1.2.1 Формирование в литых сталях фаз и структурных составляющих в процессе охлаждения в литейной форме

Конечная структура литой стали определяется положением сплава на метастабильной диаграмме состояния Fe-Fe₃C. При этом все стали, независимо от особенностей протекания первичной кристаллизации (с выделением первичных кристаллов δ-феррита или без, с протеканием перитектической кристаллизации или нет), в последующем неизменно находятся в состоянии аустенита - среднетемпературного твердого раствора углерода в γ-Fe, который имеет ГЦК упаковку. В легированных сталях аустенит сохраняет свою устойчивость и при комнатных и при отрицательных температурах. Но в углеродистых и низколегированных сталях он претерпевает вторичную (эвтектоидную) кристаллизацию, поэтому, в зависимости от содержания углерода, стали приобретают различное фазовое строение и структуру.

Стали, соответствующие по составу т. S (0,80 % С), претерпевают только эвтектоидное превращение А → (Ф + Ц) и называются эвтектоидными. Структура такой стали состоит из 100 % перлита П, который состоит из двух фаз - феррита и цементита (Рис. 1.2.1).

Стали с меньшим содержанием углерода располагаются на диаграмме состояния левее т. S и называются доэвтектоидными. В соответствии с диаграммой состояния в этих сталях перед эвтектоидной кристаллизацией часть аустенита трансформируется в феррит Ф - низкотемпературный твердый раствор углерода в α-Fe, который имеет ОЦК упаковку. И лишь затем в них оставшаяся часть аустенита вследствие эвтектоидной кристаллизации превращается в перлит П. Такие стали в литом состоянии имеют феррито-перлитную структуру (Рис. 1.2.2). При этом относительная доля феррита и перлита определяется содержанием углерода, положением состава стали на диаграмме состояния между т.т. P и S.

Стали, которые по содержанию углерода располагаются на диаграмме состояния правее т. S, называют заэвтектоидными. В этих сталях при охлаждении из аустенитного состояния растворимость углерода в нем снижается по линии ES. Вследствие этого сверх равновесно растворенный углерод из аустенита выделяется в виде вторичного цементита Ц^II. Как правило, они располагаются по границам кристаллов аустенита. В последующем оставшийся аустенит также претерпевает эвтектоидное превращение. Поэтому конечная структура литой заэвтектоидной стали состоит из перлита и вторичного цементита (Рис. 1.2.3).

Аустенит в эвтектоидных сталях, а также остаточный аустенит в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях при температурах ниже линии PSK распадается на эвтектоид, в котором цементитные пластины ведущей фазы эвтектоидного распада аустенита разделены более толстыми ферритными прослойками (См. Рис. 1.2.1). Сумма толщин одной пластины и одной прослойки определяет дифференциацию эвтектоида. Самый грубый пластинчатый эвтектоид называют перлитом: он формируется при температурах ниже линии PSK до ~ 650 ⁰С и имеет межпластиночное расстояние 0,5-1,0 мкм. При распаде аустенита в температурном интервале 650-600 ⁰С аустенит распадается на более тонкий эвтектоид – сорбит, который имеет межпластиночное расстояние 0,4-0,2 мкм. При распаде аустенита при более низком температурном интервале 600-500 ⁰С формируется наиболее тонкий эвтектоид – троостит, у которого межпластиночное расстояние составляет ~0,01 мкм. Перлит образуется при медленном охлаждении стали из аустенитного состояния (вместе с печью), а сорбит и троостит – при охлаждении её на воздухе и в масле соответственно.

Если аустенит переохладить до ещё более низких температур (300-200 ⁰С и ниже), то он претерпевает бездиффузионное полиморфное превращение и превращается в мартенсит - в пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe, который имеет тетрагональную объемноцентрированную упаковку и выделяется в виде пластин (на шлифах – в виде игл, рис. 1.2.4). Он формируется при сильном переохлаждении аустенита, т. е. в условиях высоких скоростей охлаждения в области протекания вторичной кристаллизации. Мартенсит обладает высокой твердостью и прочностью, поэтому на поверхности литых сталей путем специальной термической обработки (закалки) формируют мартенситную структуру для придания им повышенной работоспособности (износостойкости).

Превращение переохлажденного аустенита в мартенсит происходит в температурном интервале М_Н - М_К, где М_Н и М_К – соответственно температуры начала и конца мартенситного превращения. Значение М_Н и М_К зависят от состава стали. В углеродистых сталях М_Н изменяется от ~380 ⁰С при 0,2 % С до 120 ⁰С при 1,6 % С (Рис. 1.2.5). При этом легирование стали Mn, Mo, Cr, Ni и Cu повышает М_Н, а при легировании Co и Al М_Н, наоборот, возрастает (Рис. 1.2.6).

Значение М_К при малых содержаниях углерода мало отличается от М_Н, но с повышением содержания углерода оно уменьшается быстрее и при > 0,6 % С имеет отрицательное значение. Это означает, что в сталях с повышенных содержанием углерода при комнатной температуре в их структуре сохранится остаточный аустенит (См. Рис. 1.2.5).

В интервале температур эвтектоидного (трооститного) и мартенситного превращений протекает промежуточное превращение с образованием бейнита – смеси пересыщенного твердого раствора углерода в α-Fe (мартенсита) и цементита.

При повторном нагреве охлажденной стали процессы формирования переходных структур протекают в обратном порядке, но с существенными особенностями. Так, исходный мартенсит закалки при повторном нагреве (отпуске) ниже 350 ⁰С трансформируется в мартенсит отпуска. Последний представляет собой пересыщенный (но в меньшей степени, чем в мартенисте закалки) твердый раствор углерода в α-Fe с включениями дисперсных карбидов железа Fe_xC (ε-карбида) в виде тонких пластинок толщиной в несколько атомных слоев и длиной в несколько сот микрометров. При температурах 250-350 ⁰С остаточный аустенит также превращается в мартенсит отпуска. При температурах нагрева 350-400 ⁰С мартенсит отпуска распадается на тонкую феррито-цементитную смесь - троостит отпуска, в которой цементит имеет округлую зернистую форму. При более высоких (500-600 ⁰С) температурах нагрева мартенсит превращается в сорбит отпуска – более грубую смесь феррита и зернистого цемента. При дальнейшем повышении температуры из исходного мартенсита образуется перлит отпуска – наиболее грубая смесь феррита и зернистого цементита. Выделение цементита в зернистой форме улучшает механические свойства стали, прежде всего, пластические свойства и ударную вязкость.

Таким образом, в стальных отливках могут присутствовать следующие структурные составляющие: аустенит, феррит, цементит вторичный, перлит, мартенсит закалки и мартенсит отпуска, бейнит, троостит охлаждения и троостит отпуска, сорбит охлаждения и сорбит отпуска, перлит охлаждения и отпуска.