23. Перлитное превращение переохлажденного аустенита. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита.
23.1. Перлитное превращение - эвтектоидное превращение (распад) аустенита, происходящее ниже 727°С (по другим источникам 723°С) и заключающееся в одновременном зарождении и росте внутри аустенита (ɣ-фаза) двух новых фаз: феррита (ɑ-фаза) и цементита (Fe3C) имеющих пластинчатую форму. Схематически процесс описывается формулой:
ɣ→ɑ+Fe3C
Перлитное превращение происходит в сталях, содержащих более 0,025%С (по массе), а также в белых и серых чугунах (за исключением чугунов на ферритной металлической основе).
Структура, образующаяся в результате превращения, называется перлит и она состоит из тонких чередующихся пластинок (кристаллов) феррита и цементита. Составы всех трех фаз при медленном охлаждении строго определен: в нелегированной стали или чугуне
аустенит содержит 0,8%С
перлит состоит из:
феррит - 0,025%С
цементит - 6,67%С (по массе).
Отсюда следует, что пластинки феррита в 7,3 раза толще пластинок цементита.
При снижении температуры ниже 727°С скорость превращения увеличивается, достигает максимума при ~550°С и затем уменьшается, падая почти до нуля при ~200°С. Чем ниже температура превращения тем меньше толщина пластинок и выше прочностные свойства. Абсолютная толщина пластинок перлита (межпластинчатое расстояние, период структуры) меняется обычно от нескольких мкм (и тогда их можно различить в рядовом оптическом микроскопе), до десятых долей мкм (пластинки обнаруживаются только при максимальных разрешениях) и до сотых долей мкм (необходим уже электронный микроскоп). Соответствующие дисперсные разновидности перлита называют также сорбит и троостит.
Скорость охлаждения влияет на структуру и свойства смеси феррит + цементит. В результате можно получить качественно одинаковые, но различно называющиеся:
Перлит — получается при медленном охлаждении, обычно вместе с обладающей тепловой инерцией массивной печью, то есть при отжиге.
Примерные свойства: твердость — 200HB, предел прочности — 600МПа, предел текучести — 300МПа.
Сорбит — получается при охлаждении на воздухе (нормализация). Твердость — 300HB, предел прочности — 1000МПа, предел текучести — 500МПа.
Троостит — получается при более высокой скорости охлаждения, обычно в каком-либо минеральном масле. Твердость — 400HB, предел прочности — 1400МПа, предел текучести — 700МПа.
2
3.2.
Сталь
со структурой аустенита, быстро
охлаждённая до температуры ниже Аr1 (т. е.
переохлаждённая), оказывается в
метастабильном состоянии и претерпевает
превращение. Для его описания строят
так называемые диаграммы изотермического
превращения аустенита, отражающие
степень распада аустенита во времени
при разных температурах. Образцы стали,
быстро охлаждённые до определённой
температуры, выдерживают при этой
температуре, контролируя количество
распавшегося аустенита.
На рис. 31 приведена диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали, где П, Б, М – области перлитного, бейнитного и мартенситного превращений; Мн – температура начала превращения аустенита в мартенсит; Мк – температура конца превращения. Левая С-образная кривая характеризует начало распада, правая кривая показывает время, когда процесс распада полностью заканчивается (или приостанавливается). Область, расположенная левее кривой начала распада, определяет продолжительность инкубационного периода, в течение которого распад аустенита экспериментально не фиксируется.
Из рис. 31 видно, что устойчивость аустенита с увеличением степени переохлаждения сначала быстро уменьшается, что связано с возрастанием разности свободных энергий аустенита и образующих- ся фаз. При дальнейшем увеличении степени переохлаждения устойчивость аустенита вновь повышается, что вызывается снижением скорости образования новых фаз и их роста в результате замедления диффузионных процессов.
При температурах, соответствующих точке МН и более низких, процессы диффузии полностью подавляются. Происходит сдвиговое бездиффузионное фазовое превращение аустенита в структуру закалённой стали, называемую мартенситом. Мартенситное превращение обусловливается упорядоченным перемещением атомов, причем такие перемещения малы по сравнению с междуатомным расстоянием.
В зависимости от степени переохлаждения различают три области превращения: перлитную, мартенситную и бейнитную (промежуточную) между ними, в которых соответственно протекают перлитное, мартенситное и бейнитное превращения.