3. Задание 3
Опишите сущность превращения перлита в аустенит при нагреве эвтектоидной стали. В чем состоит практическое значение этого превращения? Приведите примеры.
Ответ:
Целью нагрева является получение более равномерного распределения углерода по объему стали при нужной дисперсности зерна или уменьшение степени неравновесности структуры. Следует отметить, что в соответствии с диаграммой Fe–Fe3C при нагреве эвтектоидной стали перлит превращается в аустенит при температуре 727°С (критическая точка Ас1). Однако в реальных условиях такое превращение при отмеченной температуре происходить не может, так как в данном случае имеет место равенство свободных энергий Е перлита и аустенита, т.е. температура Ас1 является равновесной, рис. 6:
Рис. 6. Изменение свободных энергий аустенита и перлита
Следовательно, для превращения перлита в аустенит температура нагрева должна быть обязательно немного выше 727°С, а для превращения аустенита в перлит – немного ниже. Другими словами должны иметь место перенагрев в первом случае и переохлаждение – во втором. От этих параметров во многом зависит величина зерна, а соответственно и свойства продуктов превращений.
Превращение перлита в аустенит при нагреве эвтектоидной стали происходит следующим образом. В исходном состоянии сталь состоит из смеси фаз феррита и цементита (рис. 7, а).
Рис. 7. Схема образования аустенитных зерен
При нагреве несколько выше критической точки А1 (727°С) на границе ферритной и цементитной фаз начинается превращение α-γ, приводящее к образованию низкоуглеродистого аустенита, в котором растворяется цементит (рис. 7, б-г). Образующийся аустенит химически неоднороден. Концентрация углерода на границе с цементитом значительно выше, чем на границе с ферритом. Превращение α - γ протекает быстрее, чем растворение цементита, и поэтому, когда все α-железо (феррит) превратится в γ-железо (аустенит), цементит еще остается (рис. 7, б). После растворения всего цементита превращение заканчивается (рис. 7, е), но образовавшийся аустенит имеет неравномерную концентрацию углерода по объему, уменьшающуюся от центра к периферии зерна. Только после дальнейшего повышения температуры или дополнительной выдержки аустенит в результате диффузии углерода становится однородным по всему объему.
Таким образом, процесс превращения перлита в аустенит протекает путем зарождения в перлите многочисленных зерен аустенита и последующего их роста. Процесс заканчивается, когда зерна аустенита полностью заполняют объем исходного перлитного зерна. Размер образовавшихся аустенитных зерен (начальное зерно аустенита) будет намного меньше исходного перлитного зерна. При дальнейшем повышении температуры зерна аустенита растут путем перемещения границ, а число зерен естественно уменьшается – собирательная рекристаллизация. Размер зерен аустенита существенно влияет на размер зерен, которые получаются при охлаждении. Поэтому всегда стремятся, чтобы зерно аустенита при нагреве не успело вырасти.
Превращение перлита в аустенит при нагреве углеродистых сталей имеет большое практическое значение при назначении режимов термической обработки на практике. Поэтому, например, при назначении режимов отжига необходимо использовать диаграмму состояния Fe-Fe3C.