4. Превращение аустенита в перлит при охлаждении. Диаграмма изотермического превращения аустенита

Превращение аустенита, переохлажденного ниже точки А₁ (727 °С), может происходить как при непрерывном охлаждении, так и при выдержке при постоянной температуре — изотермическое пре­вращение аустенита.

П ри охлаждении ниже А₁ свободная энергия аустенита стано­вится выше свободной энергии продуктов его распада, поэтому переохлажденный аустенит становится неустойчивым. Вместе с тем образующиеся фазы — феррит и цементит — существенно отли­чаются по составу от исходной фазы — аустенита. Поэтому пре­вращение носит диффузионный характер и должно сопровождаться перераспределением углерода за счет диффузии.

Таким образом, с понижением температуры наблюдается, с од­ной стороны, ускорение превращения А → П за счет роста разности свободных энергий аустенита и продуктов его распада Ф + Ц, а с другой — замедление превращения из-за снижения скорости диффузии атомов углерода.

Рассмотрим кинетику и механизм превращения переохлажден­ного аустенита на примере стали эвтектоидного состава, содержа­щей 0,8 % углерода. Нагретые до температуры на 30—50 °С выше Ас₁ образцы, имеющие структуру однородного аустенита, пере­носят в термостаты с заданной температурой. Учитывая, что ау­стенит парамагнитен, а механическая смесь феррита и цементита обладает ферромагнитными свойствами, наблюдения за измене­ниями магнитных характеристик образцов позволяют оценить кинетику превращений аустенита в перлит при различных темпе­ратурах.

На графике (рис. 99, а) приведена серия кинетических кривых изотермического распада аустенита, полученных для разных тем­ператур: t₁ > t₂ > t₃ > t₄ > t₅ > t₆. Характер кривых показы­вает, что сначала процесс распада идет медленно, затем скорость его растет и при образовании 50 % продуктов превращения дости­гает максимума, а по мере снижения количества оставшегося ау­стенита процесс постепенно затухает. Точки а₁, а₂, а₃, а₄, а₅, а₆ соответствуют началу, точки b₁, b₂, b₃, b₄, b₅, b₆ — концу превра­щения.

С увеличением степени переохлаждения устойчивость аустенита сначала уменьшается. Наибольшая скорость превращения А → П для эвтектоидной стали достигается при переохлаждении на 150— 200 °С ниже А₁ (точка t₄ на графике). Начиная с этой температуры (t₄) дальнейшее ее снижение уже приводит к уменьшению скорости превращения.

П реобразуя координаты, по полученным опытным кривым про­водят построение диаграммы изотермического превращения пере­охлажденного аустенита (рис. 99, б). Для этого на горизонтальные пунктирные линии температур изотермических выдержек t₁, t₂, нанесем точки начала (а) и конца (b) превращений. Тогда кривая a₁-a₆ есть линия на­чала, а b₁-b₆ линия конца превра­щения.

На рис. 100 приведена диаграм­ма изотермического превращения аустенита для эвтектоидной стали (0,8 % С). Горизонтальные линии М_н и М_k показывают температуры начала и конца бездиффузионного мартенситного превращения.

Диаграмма изотермического превращения представляет резуль­тат обобщения многочисленных данных исследований превращений аустенита при постоянных температурах. Диаграммы изотермического превращения называют за сходство кривых с буквой «с» также С-диаграммами, а в странах английского языка ТТТ-диаграммами (temрегаturе – timetran - sformation, что означает температура - время - превращение).

На диаграмме можно выделить следующие области: 1) область устойчивого аустенита (для стали, содержащей 0,8 % С, выше А₁); 2) область переохлажденного аустенита; 3) область начавшегося, но еще не закончившегося превращения А → П; 4) область за­кончившегося превращения; 5) область начавшегося, но еще не закончившегося мартенситного превращения (между М_н - М_к); 6) мартенситная область (ниже М_к).

Р асстояние от оси ординат до линии начала превращения ха­рактеризует меру устойчивости аустенита. Минимальная устойчи­вость аустенита наблюдается при снижении температуры на 150— 200 °С ниже критической точки А₁. Для доэвтектоидных сталей на диаграмме изотермического превращения добавляется кривая вы­деления феррита из аустенита, а для заэвтектоидных сталей — кривая выделения цементита из аустенита. Эти кривые распола­гаются над верхней частью кривой начала превращения А → П (рис. 101).

Диаграмма изотермического превращения позволяет определить конечную структуру для данной марки стали, если известна темпе­ратура или скорость превращения.

Рассмотрим структуры, образующиеся при превращении аусте­нита.

При температуре 650-700 °С образуется перлит. При перлит­ном превращении ведущей фазой является цементит. В результате образования пластинок цементита соседние участки аустенита обед­няются углеродом, что в свою очередь приводит к образованию пластинок феррита. Появляются чередующиеся пластинки це­ментита и феррита.

При увеличении переохлаждения увеличивается количество зародышей новой фазы. Естественно, что с ростом числа чередующихся пластин феррита и цементита уменьшаются их размеры и расстояния между ними. Другими словами, с понижением темпе­ратуры растет дисперсность (рис. 102) продуктов превращения аустенита. Под степенью дисперсности понимают расстояние между соседними пластинками феррита и цементита. При температуре 600-650 °С образуется сорбит, а при 550-600 °С троостит (рис. 103).

П ерлит, сорбит, троостит являются структурами одной при­роды - механической смесью феррита и цементита и отличаются друг от друга лишь степенью дисперсности. С увеличением степени дисперсности пластин цементита растет твердость и прочность стали. Наибольшую пластичность имеют стали с сорбитной струк­турой. Троостит, образующийся при более низкой температуре превращения, характеризуется меньшей пластичностью (б и 4). Перлит, сорбит и троостит называют перлитными структурами.

П ерлитные структуры в зависимости от формы цемен­тита могут быть пластинчаты­ми или зернистыми. Плас­тинчатые структуры образу­ются при превращении одно­родного (гомогенного) аусте-нита, а зернистые - неодно­родного аустенита. В первом случае нагрев доэвтектоидных ста­лей должен производиться выше Ас₃, а заэвтектоидных - выше Acm. Соответственно для получения зернистых структур нагрев должен производиться ниже Ас₃ (Acm).

Таким образом, дисперсность перлитных структур опреде­ляется степенью переохлаждения, а форма цементита - гомоген­ностью исходного аустенита.

При охлаждении ниже 500 °С до температуры начала мартенситного превращения образуется игольчатая структура бейни; а, иногда называемого игольчатым трооститом. Бейнит отличается от перлитных структур более высоким содержанием углерода в феррите. Это объясняется малыми скоростями диффузии при

понижении температуры и неполным выделением углерода из а-твердого раствора.

Бейнитные участки, в отличие от перлитных структур, имеют игольчатый характер. Зерна перлитных структур имеют округ­лую форму, так как образуются в сравнительно мягком аустените. При понижении температуры участки бейнита образуются в упру­гой среде и структура приобретает игольчатую форму. При увели­чении под электронным микроскопом можно видеть, что иглы бейнита состоят из мельчайших пластинок цементита и феррита.