Перлитное превращение

Перлитное превращение переохлажденного аустенита протекает в интервале температур Аr₁ – 550^оС (до изгиба изотермической диаграммы). В процессе превращения происходит полиморфное γ → α-превращение и диффузионное перераспределение углерода в аустените, что приводит к образованию ферритно-цементной структуры A → Ф + Fe₃C (перлит). Аустенит, однородный по концентрации углерода, распадается на фазы, имеющие различную концентрацию углерода. Ведущей возникающей фазой является карбид (цементит). Его зародыши образуются на границах зерен аустенита. В результате роста частиц этого карбида прилегающий к нему объем аустенита обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфное γ → α - превращение. При этом на границе с цементитом зарождаются пластинки феррита. Рост цементитных пластинок ведет к обогащению окружающего аустенита углеродом, что затрудняет γ → α-превращение. В обогащенном углеродом аустените зарождаются новые и растут ранее возникшие пластинки цементита. Вследствие процессов образования и роста частиц карбидов вновь создаются условия для возникновения новых и роста имеющихся пластинок феррита. В результате происходит совместный рост пластинок феррита и цементита, образующих перлитную колонию.

В результате перлитного превращения образуются структуры перлит, сорбит, троостит пластинчатого строения, различающиеся степенью дисперсности (рис. 5). Дисперсность перлитных структур оценивается межпластиночным расстоянием, за которое принимают среднюю суммарную толщину соседних пластинок феррита и цементита.

При распаде аустенита в интервале температур ~700—650^°С образуется перлит (150—250 НВ), в интервале ~ 650—600^°С образуется сорбит (250—350 НВ), в интервале ~ 600— 550^°С образуется троостит (350—450 НВ). С увеличением степени переохлаждения аустенита уменьшается дисперсность ферритно-цементитной смеси, а вместе с этим возрастает твердость и прочность стали.

При изотермическом превращении аустенита доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей процесс начинается с выделения избыточного феррита (рис. 6) и избыточного цементита соответственно.

При изотермическом превращении заэвтектоидных сталей процесс аналогичен. Разница только в том, что вместо избыточного феррита выделяется избыточный цементит.

Рисунок 5 — Схема феррито-цементитных структур:

а – перлит; б – сорбит; в - троостит

Рисунок 6 — Диаграмма изотермического превращения аустенита доэвтектоидной стали

Мартенситное превращение

Мартенситное превращение происходит только в случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлажден до низких температур, при которых диффузионные процессы невозможны.

Мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α-железе, имеет тетрагональную кристаллическую решетку (рис. 7), в которой один период больше другого.

Рисунок 7 — Кристаллическая ячейка мартенсита

Превращение носит бездиффузионный характер, осуществляется путем сдвига и не сопровождается изменением состава твердого раствора, отличается закономерным направленным смещением атомов в процессе перестройки решетки.

Можно выделить следующие характерные особенности мартенситного превращения в стали:

1. Мартенситное превращение — бездиффузионное. Концентрация углерода в мартенсите такая же, как и в исходном аустените.

2. Механизм А → М превращения носит сдвиговый характер. В процессе превращения атомы смещаются относительно друг друга на

расстояния, не превышающие межатомные; при этом соседи любого

атома в аустените остаются его соседями в мартенсите.

3. Кристаллическая решетка мартенсита в сталях тетрагональная, при этом тетрагональность решетки (с∕а) линейно увеличивается с ростом содержания в стали углерода, а в ряде высоколегированных сталей зависит и от содержания легирующих элементов.

4. Наиболее типичной формой мартенситного кристалла является пластина или линза с малым отношением толщины к другим линейным размерам, имеющая сложное внутреннее строение.

5. Время образования одного кристалла мартенсита менее 10^-7с, а скорость его роста более 10⁵см ∕с, т. е. близка к скорости звука в твердом теле и не зависит от температуры превращения.

6. А → М превращение протекает в интервале температур: начинается при температуре Мн и заканчивается при более низкой температуре Мк.

7. Температура Мн не зависит от скорости охлаждения.

8. Мартенситные точки Мн и Мк зависят от состава стали (от содержания углерода).

9. А → М превращение не идет до конца: в стали всегда существует так называемый остаточный аустенит, количество которого увеличивается при понижении точки Мн.

По достижении определенной для каждой стали температуры Мк превращение аустенита в мартенсит прекращается. Чем больше в аустените углерода, тем ниже температуры точек Мн и Мк.

Все легирующие элементы, растворенные в аустените, за исключением Сo и Аl, понижают точки Мн и Мк.

Различают два типа мартенсита — пластинчатый (игольчатый) и реечный (пакетный). Пластинчатый мартенсит наблюдается в закаленных средне- и высокоуглеродистых сталях, реечный — в закаленных низко- и среднеуглеродистых сталях. Для правильно закаленной стали характерен скрытокристаллический (бесструктурный) мартенсит.

При содержании в стали углерода более 0,6% мартенситное превращение оканчивается при температурах ниже нуля. При переохлаждении аустенита в эвтектоидной стали до 240^°С подвижность атомов углерода близка к нулю и происходит бездиффузионное (мартенситное) превращение аустенита, которое заканчивается при –50^°С. Однако при температуре Мк в стали не происходит полного образования мартенсита, аустенит остается не превращенным и называется остаточным аустенитом.

Характерной особенностью мартенсита являются его высокая твердость (возрастает с увеличением содержания углерода в мартенсите) и прочность. Твердость мартенсита — 54—65 HRC.

Мартенсит по сравнению с другими структурными составляющими имеет наибольший удельный объем.