2.1.1. Диаграмма изотермического превращения аустенита

Для изучения структурного превращения стали ее нагревают до аустенитного состояния, а затем быстро охлаждают до определенного значения температуры (700, 600, 500 С и т. д.), при которой выдерживают до полного распада переохлажденного аустенита. Кинетику процесса исследуют по термокинетическим кривым, построенным в координатах «процент превращения – время» (рис. 2.1, а). В течение некоторого промежутка времени аустенит не распадается (это время называется инкубационным периодом – точки а₁, а₂, …, а₅, соответствующие времени начала превращения). Затем начинается образование ферритоцементитной смеси, которое заканчивается через промежуток времени, соот-ветствующий положению точек б₁, б₂, …, б₅, на термокинетических кривых.

Время начала и конца распада аустенита при постоянных значениях температуры переносят на координатное поле «температура – логарифм времени», строят диаграмму изотермического превращения аустенита данной стали. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали (0,8 % С) представлена на рис. 2.1.

Две горизонтальные линии на рис. 2.1 соответствуют температуре перлитного A₁ и температуре начала мартенситного М_н превращения. Левая кривая характеризует время начала превращения, а правая – время конца превращения аустенита в интервале температуры A₁ – М_н. Данные кривые по форме подобны русской букве «С», и поэтому их, а иногда и диаграмму, называют С-образными.

Область, лежащая слева от кривой начала распада аустенита, определяет продолжительность инкубационного периода. В интервалах температуры и времени, определяемых этой областью, существует переохлажденный аустенит. С увеличением степени переохлаждения аустенита его устойчивость уменьшается, достигает минимума при 550 °С, затем вновь увеличивается.

Продуктами диффузионного распада аустенита в области температуры от A₁ до 550 °С является ферритоцементитная смесь пластинчатого строения (перлит, сорбит, троостит). От температуры 550 °С до М_н образуется ферритоцементитная смесь игольчатого строения бейнит (игольчатый троостит). При переохлаждении аустенита ниже точки М_н происходит его бездиффузионное превращение в структуру закаленной стали мартенсит. Таким образом, в зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области превращения: перлитную, бейнитную (промежуточную) и мартенситную (см. рис. 2.1).

Практическое значение диаграммы состоит в том, что она позволяет установить, с какой скоростью, в каком охладителе нужно охладить данную сталь, чтобы получить структуру с заданными свойствами.

а б

Рис. 2.1. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали (а) и схема построения такой диаграммы (б)

2.1.2. Перлитное превращение (диффузионная перекристаллизация)

Процесс превращения аустенита в перлит (перекристаллизация) подчиняется законам кристаллизации и зависит от числа возникающих центров кристаллизации новых фаз (Ф и Ц) и скорости роста кристаллов. Это определяется переохлаждением аустенита, т. е. скоростью охлаждения стали. Изменяя скорость охлаждения, а следовательно, и степень переохлаждения, можно воздействовать на структуру и свойства стали.

Перлитное превращение аустенита по своему механизму является диффузионным – А_{0,8 % С} → Ф_{0,02 % С} + Ц_{6,67 % С}. Ведущей, в первую очередь возникающей фазой является цементит, его зародыши образуются на границах зерен аустенита (рис 2.2, а). Образовавшаяся пластинка цементита увеличивается за счет диффузии углерода из прилегающих объемов аустенита, в которых его содержание понижается (рис. 2.2, б). Когда содержание углерода в аустените снизится до 0,2 %, происходит полиморфное превращение гамма-железа в альфа-железо и рядом с пластинкой цементита (вдоль нее) образуется пластинка феррита.

а б в г

Рис. 2.2. Схема перекристаллизации зерна аустенита в колонии перлита:

а − образование зародышей цементита; б – процесс роста пластинок цементита;

в – окончание превращения аустенита в перлит; г – оценка дисперсности перлита

В результате образования и роста частиц цементита вновь создаются условия возникновения и увеличения пластинок феррита. Такой совместный рост двухфазной «колонии» в результате диффузионного перераспределения углерода – характерная особенность перлитного превращения (рис. 2.2, в).

С увеличением скорости охлаждения и степени переохлаждения растет число зародышей (количество ферритоцементитных пластинок увеличивается), а их размеры и расстояния между ними уменьшаются.

В зависимости от степени дисперсности (измельчения) феррито-цементитной смеси различают структуры: перлит, сорбит, троостит. Это разделение условное, и между структурами нет четкой границы. Дисперсность перлита оценивается межпластинчатым расстоянием S₀, мкм (рис. 2.2, г). Межпластинчатое расстояние для перлита S₀ = 0,5 – 1,0 мкм, для сорбита − S₀ = 0,2 – 0,4 мкм, для троостита − S₀ < 0,1 мкм.

При малой степени переохлаждения аустенита до температуры 700 – 650 °С образуется эвтектоидная ферритоцементитная смесь перлит, его твердость – 180 – 250 НВ (≈ 20 HRC). С увеличением переохлаждения происходит измельчение ферритоцементитной смеси. При температуре 650 – 600 °С образуется дисперсионная эвтектоидная ферритоцементитная смесь сорбит (твердость – 250 – 350 НВ (≈ 30 HRC)), а при 600 – 550 °С – высокодисперсная эвтектоидная ферритоцементитная смесь троостит (350 – 450 НВ ≈ 40 HRC) (рис. 2.3).

а б в

Рис. 2.3. Микроструктуры перлита (а), сорбита (б) и троостита (в) (электронная микроскопия. Увеличение – 10000-кратное)

В доэвтектоидной стали превращение аустенита начинается ниже критической температуры Ас₃ (линии GS) с выделением избыточной фазы феррит, а в заэвтектоидных – ниже критической температуры Ас_m (линии SE) выделяется избыточный цементит, в аустените эвтектоидного состава превращение идет ниже критической температуры Ас₁ (линии PSK ,727 °С) по описанному выше механизму.