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

полировки подвергались отжигу. Полированный слой после 15-минутной выдержки при температуре 1100° С унич­ тожается. Об этом свидетельствует проявление границ зе­ рен в плоскости шлифа и структуры самого зерна (вакуум­ ное травление).

Сопоставление микроструктур поверхностей образцов после отжига (рис. 24) с микроструктурами, полученными при медленном охлаждении из области однофазного состоя­ ния (рис. 10, а) или в результате отжига закаленных и полированных образцов (рис. 12, б), показывает, что выделе­ ние углерода в данных условиях имеет специфические осо­ бенности. В отличие от отожженных и полированных образ­

40

цов углерод на поверхности образует не сплошную пленку, а выделяется в виде отдельных более или менее разобщен­ ных участков. Число участков кристаллизации углерода и их размеры изменяются при переходе от одного зерна к другому; на некоторых зернах углерод совершенно не об­ разуется. Увеличение содержания углерода в сплаве в среднем способствует образованию большего числа участ-

Рис. 25. Микрофотографии отдельных центров кристаллизации углеро­ да при отжиге (термообработку см. на рис. 26):

а — 0,31% С; б — 0,25% С (X 10000).

ков (рис. 24, а и б). Число участков кристаллизации больше также и по сравнению с медленно охлажденным сплавом (рис. 10, а).

Электронномикроскопическое исследование отдельных участков (рис. 25) также указывает на их отличие (по край­ ней мере по форме) от покрытий, образованных при охлаж­ дении сплава (см. рис. 14). Углерод кристаллизуется в виде округлых выделений, либо эти выделения имеют крабовид­ ную форму с характерным утолщением в центральной части и постепенным утоныпением на периферии. Иногда выде­ ляющийся углерод кристаллизуется в виде дендрита. С уве­ личением концентрации углерода, как правило, участки кристаллизации принимают более неравноосную форму.

Электронографическое изучение структуры этих участ­ ков показало, что они состоят из множества мельчайших графитных кристаллитов. Об этом свидетельствуют сплош­ ные дифракционные кольца на электронограммах (рис. 26). Такой же вид имеют электронограммы, полученные методом

41

микродифракцпи. На электронограммах четко фикси­ руется азимутальная ориентация графитных кристаллитов. Своими базисными плоскостями графит ориентируется па­ раллельно плоскости шлифа строже, чем в случае выделе­ ния при отжиге полированных образцов (см. рис. 17—19).

Рис. 26. Электронограммы пленок, представленных соот­ ветственно на рис. 24, а, б-

Об этом говорит значительно уменьшившаяся интенсив­ ность кольца (002).

Изложенное позволяет сделать следующее заключение. Слой полировки в силу своей измельченной структуры мо­ жет рассматриваться как источник большого количества энергетически выгодных мест для зарождения графитных центров. Обладая повышенной энергией, он в процессе вакуумного отпуска исчезает, обнажая грани кристаллов с минимумом свободной энергии, которые находятся в пло­

42

Глава II

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ УГЛЕРОДА НА ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Система Fe—С является более сложной по сравнению с системами никеля и кобальта с углеродом (см. рис. 51). Сложность обусловлена прежде всего наличием полиморфиз­ ма компонентов и метастабильностыо карбида железа в нелегированных сплавах. В зависимости от условий кри­ сталлизации могут реализоваться стабильные (система Fe—С) и метастабильные (система Fe—Fe3 С) состояния. Эта возможность на диаграмме отображается двойными линиями.

В большинстве практически важных случаев распад аустенита или феррита идет путем зарождения и роста цементита.

При выделении графита свободная энергия сплава уменьшается больше чем при выделении цементита, однако вопрос о том, какая из высокоуглеродистых фаз будет вы­ деляться и в каком относительном количестве, решается не только величиной изменения свободной энергии, но и ки­ нетическими характеристиками кристаллизации графита и цементита, т. е. соотношением вероятностей образования зародышей и скоростями роста обеих фаз в данных усло­ виях [12]. Поэтому процесс распада твердого раствора железоуглеродистых сплавов можно представить следую­ щим образом. При определенной скорости охлаждения, обеспечивающей кристаллизацию цементита, раствор преж­ де всего пересыщается по отношению к графиту. Образовав­ шееся пересыщение в начальный момент ликвидируется путем зарождения и увеличения центров стабильной фазы, и лишь когда переохлаждение достигает определенной ве­ личины, возникают и растут зародыши цементита. Послед­ ние, обладая большей скоростью роста, подавляют рост графитных центров, в результате чего они могут и не вы­ расти до видимых размеров.

На поверхности твердого раствора, где рост гфафита не лимитируется матрицей, его скорость роста может оказаться

45

соизмеримой со скоростью роста цементита, поэтому следует ожидать более интенсивного протекания процесса образования углерода выделения.

1. Образование углерода выделения на аустените и феррите

Исследования производились на сталях доэвтектоидного, эвтектоидного и заэвтектоидного составов с различным со­ держанием углерода. Стали в основном выплавляли в ва­ кууме. Иногда применялись промышленные марки. Образ­ цы с подготовленной поверхностью подвергались различ­ ным видам термообработки в вакууме.

В сталях с концентрацией углерода, равной 0,9% после охлаждения от температур аустенитной области, об­ разование углерода выделения на поверхности не обнару­ жено. При этом вакуумное травление хорошо проявляет сетку границ между зернами аустенита и перлитные пре­ вращения при охлаждении ниже Ах. Углерод не появляется даже при скоростях охлаждения, равных 1 град/мин.

Образование углерода на поверхности наблюдается лишь при охлаждении аустенитизированных заэвтектоидных сталей, при этом в тем большей степени, чем выше его содержание в растворе. Продолжительность выдержки в аустенитной области перед охлаждением не оказывает за­ метного влияния на количество выделившегося углерода.

Миграция углерода на поверхность происходит в про­ цессе охлаждения стали вследствие падения растворимости углерода в аустените. Об этом свидетельствуют результаты опытов, в которых изотермическая выдержка в аустенитной области прерывалась закалкой в ртути. Поверхность после закалки имеет характерную мартенситную структуру. На ней не было обнаружено выделения графита. Охлаждение ниже точки Аст и последующая закалка фиксируют его появление.

Если образец с предварительно выделившимся углеро­ дом вновь нагреть до аустенитной области, то графит сравни­ тельно легко растворяется. Этот факт может служить до­ полнительным доказательством того, что углерод появляе­ тся на поверхности аустенита не во время изотермической выдержки, а в процессе распада пересыщенного твердого раствора, точно так, как это происходит в случае поверх­ ностной графитизации Ni—С и Со—С сплавов.

46

Выделение углерода на поверхности заэвтектоидных сталей протекает менее интенсивно, чем в Ni—С и Со—С сплавах. В этом легко убедиться, если сопоставить микро­ фотографии поверхности сплавов, подвергнутых одной и той же термообработке (рис. 27 и 10, а). Из сопоставления ри­ сунков видно, что по сравнению со сплавом N i—С встали происходит лишь незначительное выделение углерода ыа

ва — 0,23 (0,31—0,08) вес. %.

Меньшая интенсивность выделения углерода в железо­ углеродистых сплавах обусловлена наличием в них метаста­ бильной фазы. При охлаждении заэвтектоидной стали ус­ пешно проходящая объемная кристаллизация цементита способствует уменьшению толщины подслоя, из которого углерод мигрирует на поверхность. Углерод в Ni—С и Со—С сплавах может выделяться из более глубоких слоев матрицы, так как возникающее в них пересыщение ликви­ дируется лишь одной стабильной фазой — графитом.

Возможность распада пересыщенного раствора Fe—С сплавов через метастабильиую фазу приводит также к спе­ цифическим особенностям поверхностной графитизации при отжиге. Остановимся на этом вопросе несколько подробнее.

Обычно графитизирующий отжиг заэвтектоидных ста­ лей производят в интервале температур между крити­ ческими точками Аст и Л1. Для интенсификации этого процесса часто применяют различную предварительную

47

материала: увеличение времени субкрптического отпуска при температуре 680° С способствует более обильному вы­ делению углерода из аустенита при последующем охлажде­ нии от более высокой температуры. Во-вторых, в отличие от характера выделения углерода при медленном охлажде-

Рис. 29. Микрофотографии поверхности образцов после термообработ­

нни от температуры аустенитной области, когда поверх­ ность стали содержит некоторое количество зерен, не по­ крытых углеродом, поверхность этих образцов почти рав­ номерно покрыта им. Это обстоятельство, по-видимому, обусловлено тем, что при закалке на мартенсит поверхность образца сильно искажается, что приводит к обогащению ее различного рода дефектами (ступени, выступы и др.), пред­ ставляющими собой энергетически выгодные места для