2.4. Превращения сталей в твёрдом состоянии.

Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят при нахождении железоуглеродистых сплавов в твердом состоянии. Особое значение приобретают фазовые превращения, которые происходят в сталях в твёрдом состоянии, позволяющие получать стали на основе ферритной, аустенитной, перлитной и других видов структур.

Рассмотрим превращения, протекающие в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области (рис. 2.3). Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02% C (точка P диаграммы), называют техническим железом. Если углерода в железоуглеродистом сплаве содержится меньше 0,0002 % (сплав I, рис. 2.3, а), то при охлаждении от температуры точки 1 до температуры точки 2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит. Однофазная ферритная структура сохраняется вплоть до температуры 20-25°С.

а) б)

Рис. 2.3. Часть диаграммы состояния Fe — Fe₃C для сплавов, не испытывающих (а) и испытывающих (б) эвтектоидное превращение.

При содержании углерода в техническом железе больше 0,0002%, как в сплаве II, после образования феррита, начиная с температуры точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (см. линию PQ, рис. 2.3, а). Конечная структура охлаждённого сплава будет двухфазной и образована зёрнами феррита и третичного цементита. Зёрна цементита располагаются в виде прослоек по границам ферритных зерен (рис. 2.4, б). Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность сплавов.

При температуре 20 – 25 °C третичный цементит имеется во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,0002% C. Однако роль третичного цементита в формировании свойств невелика, так как его содержание мало по сравнению с цементитом, выделившимся при других фазовых превращениях. Обычно при рассмотрении структуры сплавов с содержанием углерода более 0,02 % о третичном цементите не упоминают.

Рис. 2.4. Микроструктура (рисунок с фотографии) технического железа с содержанием углерода:

а - 0,006% C присутствуют зёрна только технического железа (1); б – 0,01% C по границам зёрен технического железа имеются зёрна третичного цементита (2).

Рис. 2.5. Фотографии (слева) и рисунки (справа) микроструктур сталей: а, б – феррито-перлитного типа с увеличение содержания перлита; в – перлит; г – перлит с выделением вторичного цементита (светлая сетка).

Количественное соотношение между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. Следовательно, зная содержание углерода в доэвтектоидной стали, можно заранее предвидеть ее зёренную структуру в стабильном состоянии (рис. 2.5).

Сплав II (см. рис. 2.3, б) с содержанием 0,8 % C называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии PSK происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02% C и цементит. Такую смесь двух фаз называют перлитом (рис. 2.5, б). Эвтектоидное превращение идет при постоянной температуре и составе фаз, так как в процессе одновременно участвуют три фазы, и число степеней свободы равно нулю. Сплав I (см. рис. 2.3, б) с содержанием углерода менее 0,8 % называют доэвтектоидной сталью. Эвтектоидному превращению в таких сталях предшествует частичное превращение аустенита в феррит в интервале температур точек 1 – 2. При температуре точки b фазовый состав сплава А_с + Ф_а. Количественное соотношение аустенита и феррита соответственно определяется отношением отрезков ab и bc.

При температуре точки 2 сплав имеет фазовый состав A_s + Ф_р с количественным соотношением фаз соответственно Р2 и 2S. В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали (рис.2.5,а).

Сплав III (рис. 2.3, б) является заэвтектоидной сталью (> 0,8 %С). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3 – 4 предшествует выделение вторичного цементита (Ц_II) из аустенита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы (рис. 2.3).

t, ⁰С

С, %

t, ⁰С

Рис. 2.6. Часть диаграммы состояния системы Fe – Fe₃С для высокоуглеродистых сплавов.

В результате при охлаждении до температуры точки 4 аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8 % и на линии PSK испытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой (рис. 2.5, в). Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20 %) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.