2.1.3. Распад аустенита на ферритоцементитную смесь при охлаждении

Скорость эвтектоидного распада аустенита зависит от степени переохлаждения. Снижение температуры (увеличение степени переохлаждения), с одной стороны, увеличивает разность свободных энергий аустенита и перлита, что ускоряет превращение, а с другой – сопровождается уменьшением скорости диффузии углерода, что замедляет превращение. Суммарное действие обоих факторов приводит к тому, что вначале, с увеличением степени переохлаждения, скорость превращения аустенита в перлит возрастает, достигает при каком-то значении переохлаждения максимума, а затем убывает. При 727С скорость превращения равна нулю, так как при этой температуре равна нулю разность свободных энергий аустенита и перлита, а при температурах ниже 200С скорость превращения также равна нулю, так как при этих температурах практически равна нулю скорость диффузии углерода.

Кинетика эвтектоидного превышения аустенита изображается С-образными кривыми на диаграмме изотермического превращения переохлаждённого аустенита (рис. 2.3). С-образные кривые строят следующим образом.

Тонкие стальные образцы с содержанием 0,8% углерода нагревают до температуры выше Ас₁ (до полной аустенизации), и затем быстро переносят в соляную ванну с температурой, до которой нужно переохладить аустенит. Начало и конец распада аустенита при данной температуре можно определить несколькими методами, но самый надёжный и удобный – магнитометрический. При эвтектоидном превращении аустенита сталь переходит из парамагнитного в ферромагнитное состояние (аустенит парамагнетен, феррит – ферромагнетен). Магнитометрический метод позволяет количественно определить степень превращения аустенита в любой момент изотермической выдержки, так как интенсивность намагничивания образца пропорциональна количеству образовавшегося феррита.

В эвтектоидной стали при температурах около 550С переохлаждённый аустенит наименее устойчив (см. рис. 2.3).

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области его превращения: перлитную, промежуточного превращения и мартенситную.

2.1.3.1. Перлитное превращение

Перлитная область распространяется на интервал температур от критической точки А₁ до изгиба С-кривой (~550). Распад аустенита с образованием перлита (эвтектоидный распад) является диффузионным процессом и развивается в результате флуктуации состава (неоднородности в распределении углерода в аустените). Как любой диффузионный процесс (например, кристаллизация жидкости), распад аустенита происходит путём возникновения зародышей (ч. з.) и роста их с определённой скоростью (с. р.). В аустените (рис. 2.4,а), оказавшемся в неравновесном состоянии при температуре ниже А₁, углерод диффундирует к наиболее дефектным местам кристаллической решётки, к местам скопления вакансий вблизи границ зёрен. Поэтому зародыши цементита образуются по границам зёрен аустенита (рис. 2.4,б).

Рис. 2.3. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали

Рост зародышей цементита происходит вследствие диффузии углерода из прилегающего аустенита, что приводит к обеднению углеродом аустенита, окружающего образовавшиеся пластинки цементита, и способствует превращению его в феррит за счёт полиморфного превращения решетки ГЦК в ОЦК. Поэтому рядом с пластинками цементита образуются пластинки перлита (рис. 2.4,в). Дальнейшее утолщение ферритных пластинок ведёт к обогащению окружающего аустенита углеродом, что приводит к зарождению новых пластинок цементита (вдоль границы аустенита) или к росту уже имеющихся. Таким образом, возникают участки перлита, называемые перлитными колониями, в которых пластинки цементита и феррита расположены параллельно.

При дальнейшем росте перлитной колонии эти пластинки удлиняются (краевой рост; рис. 2.4,г) и присоединяются новые пары пластинок (цементита и феррита), параллельные исходным (боковой рост; рис. 2.4,д). При краевом росте вблизи фронта распада АB (рис. 2.5) аустенит неоднороден: у торца цементитной пластинки концентрация углерода низкая, а у торца ферритной пластинки – высокая. Такой перепад концентраций в аустените обеспечивает диффузионный перенос углерода вдоль фронта распада путём его диффузии в аустените (как показано стрелками) от мест обогащения возле феррита к местам обеднения возле цементита, что обеспечивает продолжение роста пластинок цементита и феррита. Такой процесс роста (краевого и бокового) перлитных колоний происходит до их столкновения, срастания и превращения всего аустенита в перлит (рис. 2.4,е).

Рис. 2.4. Последовательные стадии (а – е) образования перлитных зёрен в зерне аустенита (схема)

Структура, состоящая из чередующихся параллельных пластинок феррита и цементита, характерна для всей перлитной области (от точки А₁ до изгиба С-кривой). Разница заключается только в том, что с увеличением переохлаждения ниже 727С (с понижением температуры изотермической выдержки) увеличивается число зародышей на границах аустенитного зерна, пластинок феррита и цементита оказывается больше, они становятся более тонкими и искривленными. Межпластинчатое расстояние l_о (см. рис. 2.5), под которым понимают сумму толщин двух соседних пластинок феррита и цементита, уменьшается. С уменьшением межпластиночного расстояния значительно изменяются механические свойства – повышается прочность и твёрдость и уменьшается пластичность. Под перлитом понимают продукты эвтектоидного распада аустенита, образующиеся при температурах 650-700С (l_о=0,6-1,0 мкм; НВ 180-250). Если аустенит переохлаждён до 600-650С и при этих температурах распадается, то образуется более мелкая ферритоцементитная смесь она называется сорбитом (l_о=0,25-0,3 мкм; НВ 250-350). При переохлаждении аусенита до 500-600С образуется ещё более мелкая ферритоцементитная смесь она называется трооститом (l_о=0,1-0,15 мкм; НВ 350-450).

Рис. 2.5. Схема перераспределения углерода на фронте

перлитного превращения

При изотермическом превращении аустенита доэвтектоидных сталей в интервале температур выше изгиба С-кривой процесс начинается с образования избыточного феррита, что на диаграмме характеризуется линией а-б (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Диаграмма изотермического превращения аустенита доэвтектоидной стали

Так как растворимость углерода в α-железе значительно меньше, чем в γ-железе, то превращению аустенита в феррит предшествует диффузия углерода (от периферии в глубь зерна), в результате чего участки аустенита, обеднённые углеродом, превращаются в феррит, а аустенит обогащается углеродом (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Последовательные стадии распада аустенита доэвтектоидной стали при разных температурах изотермической выдержки (разных степенях переохлаждения, схема)

При небольшой степени переохлаждения (при температуре немного ниже точки А₁) углерод диффундирует в глубь зерна до тех пор (все с большим образованием феррита), пока аустенит не обогатится до содержания 0,8% С, после чего происходит перлитное превращение (рис. 2.7,а).

С повышением степени переохлаждения (с понижением температуры) изотермическое превращение ускоряется, диффузия углерода протекает в меньшей степени, избыточного феррита образуется меньше, и получающаяся ферритоцементитная смесь содержит углерода меньше 0,8% (рис. 2.7,б). При температуре, соответствующей изгибу С-кривой, диффузия углерода значительно уменьшается и аустенит распадается без образования избыточного феррита. Получается ферритоцементитная смесь (троостит) с таким количеством углерода, которое содержит данная доэвтектоидная сталь (рис. 2.7,в).

При изотермическом превращении заэвтектоидной стали процесс аналогичен; разница только в том, что вместо избыточного феррита из аустенита выделяется избыточный цементит и аустенит обедняется углеродом. Как правило, образовавшаяся ферритоцементитная смесь содержит более 0,8% углерода.

Получающаяся при распаде аустенита ферритоцементитная смесь, содержащая углерода меньше (или больше) 0,8%, называется квазиэвтектоидом (ложным эвтектоидом).