книги из ГПНТБ / Салли И.В. Углерод на поверхности растворов внедрения

от температуры [70]. Однако механизм превращений и при­ рода выделений на поверхности карбида, как это будет показано ниже, оказываются весьма сложными и до настоя­ щего времени почти никем не исследовались.

В виде рабочей гипотезы следует предположить, что

При нагреве исходного образца (метастабильное состоя­ ние) со скоростью 50 град/мин до температуры 850° С (без предварительной изотермической выдержки в интервале 650—750° С) и выдержке его при данной температуре в те­ чение 25 мин на поверхности кристаллов карбида присут­ ствуют выделения, которые приобретают другой характер по сравнению с выделениями на поверхности пластин пер­ вичного цементита ниже А г (рис. 56). Эти выделения более равномерно распределены по всей поверхности карбида, они гораздо крупнее, количество их меньше. Характерной особенностью данной микроструктуры является то, что большое количество выделений продолговатой формы рас­ положены перпендикулярно к боковой поверхности.

На поверхности цементита ледебурита вырастают круп­ ные выделения и создается впечатление, будто количество цементита в ледебурите уменьшается. При последующем на­ греве до более высоких температур цементит ледебурита пол­ ностью исчезает под покровом пленки выделившейся фазы.

90

После полировки охлажденного образца структура по­ верхности приобретает исходный вид без каких-либо за­ метных под микроскопом нарушений сплошности цементи­ та. При этой обработке образцов исходного белого чугуна и на поверхности и внутри образца графитизация 1 не про­ исходит.

Многочисленные термообработки позволили выбрать такой режим предварительной низкотемпературной обра­ ботки, при котором удается получить крупные выделения иа поверхности пластин первичного цементита при нагреве до температуры A lt что позволило установить природу вы­ делений, существующих при такой температуре. Для этого не­ обходимо исходный образец стабилизировать притемперату ре 650° С, а затем нагреть до температуры 850° С со скоростью 50 град/мин. Закалка такого образца в вакууме показала, что в крупных выделениях, образовавшихся на поверхности пластин первичного цементита при нагреве до температуры выше Ли прошло мартенситное превращение. Цементит ле­ дебурита этих образцов полностью покрыт выделениями, в которых также прошло мартенситное превращение.

Результаты проведенных опытов убеждают в том, что при нагреве образцов белого чугуна до температуры выше А1 на первичных кристаллах карбида и цементита ледебу­ рита появляется аустенит.

Следует отметить, что величина зерен аустенита, выде­ лившегося на поверхности пластин первичного цементита, зависит от характера низкотемпературной обработки. Толь­ ко после длительной низкотемпературной выдержки (более шести часов) и последующего повторного нагрева выше А г могут образовываться крупные выделения. Это свидетель­ ствует о том, что образование феррита при низкой темпе­ ратуре в значительной степени влияет на характер после­ дующей аустенитизации. Во всяком случае зарождение аустенита инициируется ферритом.

Большую роль в поверхностной аустенитизации пластин первичного цементита играет скорость и температура на­ грева выше А г, Оказывается, рост зерен аустенита на по­ верхности карбида не наблюдается, если скорость нагрева будет больше 50 град!мин, а температура — выше 900° С.

1 В данном случае имеется в виду графитизация белого чугуна при отжиге на ковкий; В исследованных чугуиах она не происходит при лю­ бых выдержках во всем температурном интервале обработки.

91

С повышением температуры нагрева количество аусте­ нита на поверхности пластин первичного карбида умень­ шается (рис. 57, а). Описанный образец нагревали до тем­ пературы 1000° С со скоростью 150 град!мин при выдержке

Рис. 57. Микроструктуры г/ластин при нагреве до 1000° С (X 500) (о); до 950° С, скорости иагрева 50 град/мин, скорости охлаждения 25 град/мин (X 350) (б); до 1050° С, скорости нагрева 150 град/мин, скорости охлаждения 25 град/мин (X 400) (в); до 1000° С, скорости на­ грева 10 град/мин, скорости охлаждения 25 град/мин (X 500) (г).

один час и последующем охлаждении со скоростью 25 град/мин.

Если одночасовую выдержку проводить при 1100° С, то наблюдаются лишь отдельные крупные выделения. По­ верхность цементита ледебурита в течение часовой выдерж­ ки при температуре 1100° С покрывается крупными зер­ нами аустенита, причем на отдельных из них при охлажде-

92

ним появляется графит выделения (скорость охлаждения равна 20 градімин). После механической шлифовки, поли­ ровки, а также глубокого травления в 5%-ном спиртовом растворе азотной кислоты внутри этих образцов не была обнаружена система нарушений, параллельная боковой поверхности пластин цементита, которая появляется при низкотемпературной выдержке (650—750°С).

Что же происходит с поверхностью образцов исходного белого чугуна, которые не подвергались выдержке в интер­ вале температур 650—750° С при нагреве выше /4,?

На рис. 57, б и в представлены микрофотографии поверх­ ности пяти исходных образцов, подвергавшихся следующей термообработке: нагрев в вакууме соответственно до тем­ ператур: 950 и 1100° С со скоростью 150 градімин, выдержка при этих температурах в течение одного часа с последую­ щим охлаждением со скоростью 25 градімин. Из рисунков следует, что при скорости нагрева 150 градімин количество аустенита на поверхности пластин первичного карбида с повышением температуры нагрева уменьшается. Лишь отдельные крупные зерна аустенита присутствуют на по­ верхности карбида, хорошо наблюдаются точечные выде­ ления и выделения в виде черточек. Последние, в отличие от 'низкотемпературных, располагаются поперек пластин первичного цементита. С повышением температуры проис­ ходит рост зерна аустенита на ледебурите. Количество гра­ фита выделения, появившегося при охлаждении аустенита

микрофотографии поверхности образца, который нагре­ вали до температуры 1000° С со скоростью 10 градімин, выдерживали при этой температуре в течение двух часов, после чего закаливали в вакууме.

Выделения аустенита на поверхности пластин первич­ ного карбида имеют округлую форму, количество их меньше по сравнению с выделениями ниже температуры А и но они крупнее. С повышением температуры количество их умень­ шается незначительно. В результате закалки в выделениях на пластинах первичного цементита и на цементите леде­ бурита прошло мартенситное превращение. После поли­ ровки поверхности закаленного образца никаких изменений

93

внутри его не происходит, т. е. появление аустенита на поверхности первичного карбида и цементита ледебу­ рита представляет собой фазовые превращения, протекаю­ щие лишь на поверхности.

Таким образом, и при нагреве исходных образцов со скоростью менее 50 градімин до температур выше А х на поверхности кристаллитов цементита появляются высоко­ температурные выделения аус­

со скоростью 50 градімин поверхность карбида почти пол­ ностью покрывается аустенитом (см. рис. 54).

Увеличение температуры нагрева при скорости 50 градімин приводит к уменьшению количества высокотем­ пературных выделений на поверхности первичных кристал­ лов аустенита. При высоких температурах на поверхности первичного карбида появляются большие оголенные участ­ ки цементита (рис. 58) (исходный образец нагревался до температуры 950° С, выдерживался при этой температуре в течение часа и охлаждался со скоростью 25 градімин). Как и при больших скоростях нагрева, при высоких темпе­ ратурах существуют на поверхности пластин первичных карбидов выделения в виде точек и черточек, причем уже при скорости охлаждения, равной 25 градімин, выделения в виде черточек в процессе охлаждения несколько увеличи­ ваются. Сопоставление структуры, полученной при низко­ температурной обработке и нагревах выше Лх, показывает,

94

что ориентированные выделения (в виде точек и черточек) являются ферритом, который при нагреве выше А г превра­ щается в аустенит. Продолговатые выделения ориентиро­ ваны либо вдоль, либо поперек цементитного зерна. Попе­ речные выделения образуются преимущественно при охлаж­ дении в области существования аустенита.

Полученные экспериментальные данные говорят о том, что при нагреве исходных образцов белого чугуна от ком­ натной температуры до более высоких температур (с лю­ быми скоростями нагрева) не удается пройти интервал тем­ ператур 600—950° С без образования ферритных (аустенит­ ных) зерен на поверхности кристаллитов карбида.

Величина и количество зерен феррита (аустенита) на поверхности карбида зависят от характера низкотемпера­ турной обработки, величины температуры нагрева выше Аг, времени высокотемпературной изотермической выдержки и скорости нагрева. Рост зерна аустенита при нагреве вы­ ше А х наблюдается в интервале температур 800—950° С, причем величина зерна аустенита невелика, если отсутство­ вала специальная низкотемпературная обработка. При дальнейшем повышении температуры малые скорости на­ грева приводят к полной аустенизации поверхности образ­ ца, а большие скорости — к растворению зерен аустенита на поверхности первичного карбида.

Аустенизация поверхности ледебурита проходит при всех скоростях нагрева и зерна аустенита на поверхности тем крупнее, чем больше высокотемпературная выдержка и выше температура нагрева. Прослойки цементита ледебу­ рита как бы зарастают окружающим аустенитом.

Появление феррита (аустенита) на поверхности кристал­ литов цементита нельзя связывать с локальным испарением углерода с поверхности, так как при сравнительно низких температурах идовольно больших скоростях нагрева скольконибудь значительного испарения углерода не наблюдается.

Существование нарушений сплошности, параллельной боковой поверхности пластины цементита, в объеме образца при длительных низкотемпературных выдержках свиде­ тельствует о том, что фазовые превращения возможны не только на поверхности, но и в объеме образца, причем их появление подтверждает слоистую и блочную структуру первичного карбида.

Если предположить, что цементит представляет собой соединение переменного состава, то появление нарушений

95

сплошности внутри образца вполне возможно только по границам блоков, так как рост новой фазы в объеме лими­ тируется отводом атомов матрицы.

Зарождение феррита на поверхности образцов белого чугуна и внутри пластин первичного цементита в значитель­ ной мере облегчается наличием структурного соответствия между этими фазами. В данном случае при сравнительно

При охлаждении стабилизированного цементита от тем­ пературы выше A L наступающее пересыщение железом лик­ видируется ростом включений аустенита уже поперек пластин цементита. Особенно хорошо наблюдается рост аусте­ нитных зерен при большой скорости охлаждения от высо­ кой температуры стабилизации цементита до 900° С и по­ следующим медленным охлаждением. При удачном подборе скорости охлаждения стабилизированного цементита в вы­ сокотемпературном интервале температур можно получить достаточно большие покрытия аустенита с поперечной ориентацией, в которых при переходе точки Л, хорошо про­ сматривается образование перлита. Так, пластина первич­ ного цементита (рис. 59), выдержанная в течение часа при температуре 1050° С, а затем охлажденная со скоростью 100 град!мин до 900° С и последующим охлаждением со скоростью 5 град/мин, покрывается крупными выделениями с явно 'Выраженной поперечной ориентацией.

96

Таким образом, несмотря на сложность явлений, свя­ занных с выделением феррита и аустенита на поверхности

ивнутри цементита, они неопровержимо свидетельствуют

отом, что последний является фазой переменного состава.

Это в некоторой степени подтверждается и рентгеноструктурным анализом. Тот же чугун стабилизировался при различных температурах, а затем закаливался в воде.

После снятия поверхностного слоя методом обратной съем­ ки в Fe-излучении определялось межплоскостное расстоя­ ние (314). Зависимость межплоскостного расстояния от тем­ пературы закалки приведено на рис. 60. Действительно, если схематично представить границу растворимости желе­ за в цементите в интервале температур равновесия твердых фаз (рис. 61), то многие из приведенных выше эксперимен­ тальных данных можно объяснить следующей зависимостью растворимости от температуры:

1.При затвердевании исходного образца в медном ко­ киле цементит пересыщается железом до некоторой кон­ центрации Сх. При нагреве образца ниже Ах на его по­ верхности и внутри выделяется феррит. Наступает стаби­ лизация.

2.При последующем нагреве феррит внутри зерна снова растворяется (отсутствие нарушений сплошности внутри цементитного зерна).

3.Замечается рост аустенита на поверхности цементита при некоторой оптимальной скорости охлаждения стаби­ лизированного при высокой температуре образца.

Этого было бы достаточно для правомерности сделанного заключения о переменном составе цементита, если бы не ряд любопытных и неясных явлений, сопровождающих фа­ зовые превращения на поверхности исследованных образ­ цов. Все они сводятся, главным образом, к тому, что при нагреве выше Ах поверхностный аустенит проявляет уди­ вительную устойчивость и стремление покрыть всю поверх­ ность образца. Это, естественно, нельзя объяснить только переменным составом цементита. Наоборот, такое поведение поверхностного аустенита в некотором смысле противоре­ чит увеличению концентрации железа в цементите с ростом температуры. Объяснение такому кажущемуся «противо­ речию» будет дано в третьем параграфе настоящей главы.

2. Углерод выделения на поверхности цементита

Если исходить из того, что цементит является фазой переменного состава и с увеличением температуры он обо­ гащается железом (см. рис. 51, 57, г), то уместно поставить вопрос: нельзя ли создать такие условия, чтобы на поверх­ ности цементита выделялся углерод? Действительно, если атомы углерода обладают высокой подвижностью, то во всех случаях недосыщения цементита железом вполне реальным будет обратный процесс — выделение углерода. Это явление должно, по-видимому, проявиться при нагреве стабилизированного цементита, во время которого он дол­ жен насыщаться железом. Такая постановка задачи обес­ печила целенаправленный поиск и ее решение было выпол­ нено с помощью описанных ниже экспериментов [57].

в вакуумную печь. Затем с различной скоростью нагрева­ лись в области аустенизации. После некоторого количества экспериментов, в которых варьировались скорость и тем­ пература нагреца, на поверхности цементита действительно удалось впервые обнаружить углерод выделения, образо­ вавшийся ие при охлаждении или изотермической выдержке пересыщенного раствора, а при нагреве до 1140° С со ско­ ростью нагрева 50 грсідімин (рис. 62). Важным условием, определяющим количество выделяющегося поверхностного углерода в исходном образце, является скорость нагрева.

В интервале скоростей нагрева от 10 до 200 град!мин

98

твердый углерод на первичном цементите возникает при температуре 1140° С. Наблюдения с помощью высокотем­ пературного микроскопа показали, что при дальнейшем повышении температуры он постепенно распространяется на большую часть поверхности цементитной пластины.

Наибольшее количество графита на поверхности первич­ ного цементита в исходном образце (нестабилизированного

ледебуритом.

Количество графита на первичном цементите и аустенита на ледебурите зависит также от времени выдержки при вы­ сокой температуре. Сначала графит возникает в отдельных местах, затем покрывает всю поверхность. Аустенит на цементите ледебурита распространяется по поверхности с границ.

При достаточно большой выдержке (45 мин) и, по-види- мому, благоприятной ориентации цементита, графит пол­ ностью покрывает поверхность цементитной пластины. Та­ ким образом, в исходных образцах, не подвергавшихся низ­ котемпературной обработке, на поверхности первичного (изолированного) карбида при нагреве возникает графит вы­ деления, причем образование графита происходит лишь при температуре, близкой к плавлению эвтектики. При бо­ лее низких температурах нагрева (ниже 1100° С) независимо от времени изотермической выдержки графит выделения на поверхности карбида не появляется.