Изменение структуры в зависимости от содержания углерода

Увеличение содержания углерода вследствие его незначительной растворимости в феррите вызывает появление второй фазы – цементита третичного. При содержании углерода до 0,025% структурно свободный цементит выделяется, главным образом, по границам зерен феррита. Это существенно понижает пластичность и вязкость стали, особенно, если цементит располагается цепочками или образует сетку вокруг зерен феррита.

При увеличении содержания углерода выше 0,025% в структуре стали образуется перлит; одновременно еще до 0,10–0,15% С в стали появляются включения структурно свободного (третичного) цементита. С дальнейшим повышением содержания углерода третичный цементит входит в состав перлита.

По мезоструктуре стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали содержат более 0,02%, но менее 0,8% углерода. Структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита и перлита (выделением из феррита избыточного третичного цементита пренебрегаем). С увеличением содержания углерода количество феррита в доэвтектоидных сталях уменьшается, а перлита – увеличивается (рис. 6.10).

При содержании в стали 0,8% углерода количество перлита равно 100%.

На рис. 6.10 показана мезоструктура доэвтектоидной стали с различным содержанием углерода. Отчетливо видно, что содержание перлита (темная составляющая) увеличивается с повышением содержания углерода.

Структура эвтектоидной стали (0,8% С) состоит из одного перлита, всё поле заполнено перлитом. Структура заэвтектоидных сталей при комнатной температуре состоит из перлита и вторичного цементита, причем цементит может располагаться в виде сетки, зёрен или игл. В структуре заэвтектоидных сталей вместо обычного перлита может быть зернистый перлит, который получают после специальной термообработки. Образуется у стали У9-У13 из аустенита при охлаждении. Сетка цементита начинает образовываться на линии ES, перлит – на линии PSK. Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20%) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.

Рис. 6.10. Равновесная диаграмма

Последовательность образования равновесной структуры

На примере сплава, содержащего 0,5% С, рассмотрим последова-тельность протекания фазовых превращений, образующих в конечном счете равновесную структуру, предполагая его охлаждение с температур жидкого состояния равновесным. Схема кривой охлаждения показана на рис. 6.11. Итак, до температуры 1 следует простое охлаждение жидкого сплава. От точки 1, лежащей на линии ликвидуса, начинается образование кристаллов аустенита. Их количество растет и при температуре в точке 2 процесс кристаллизации заканчивается. Далее последует простое охлаждение зерен аустенита.

Рис. 6.11. Схема кривой охлаждения сплава (0,5% С) и образования

его равновесной ферритно-перлитной структуры

По достижении температуры точки 3 (рис. 6.11) посредством перестройки ГЦК решетки в ОЦК решетку аустенит начинает превращаться в феррит. Это происходит практически одновременно в каждом зерне аустенита. Причем, концентрация углерода в образующемся феррите, в соответствии с его природой, определяется кривой PGдиаграммы состояния. Поскольку в интервале температур 3–4 в аустените появляется и количественно растет ферритная составляющая с явно меньшим содержанием растворенного углерода, чем в анализируемом сплаве, концентрация углерода в убывающем количественно аустенитеувеличивается. Ее изменения описываются кривой GS диаграммы (рис. 6.11).

В итоге, при температуре точки 4 в пределах границ каждого первичного зерна аустенита в равновесии окажутся феррит состава точки Pи остаток аустенита состава точкиS.

Последующий отвод тепла нарушит устойчивость остатка аустенита и он претерпит диффузионное эвтектоидное превращение в перлит по схеме:

ЭФ^S→ (α+Fe₃C).

Процесс совершается с выделением тепловой энергии и поэтому протекает на отрезке изотермы 4-4′ (рис. 6.11). Охлаждение ниже точки 4′ практически не изменит образовавшейся структуры. Она состоит из феррита и перлита.

Подобная структура типична для любого доэвтектоидного сплава. Причем по мере увеличения концентрации углерода монотонно растет количество перлитной составляющей и убывает количество ферритной составляющей. При содержании углерода, равном 0,8%, сплав имеет чисто перлитную структуру (рис. 6.12,в).

В заэвтектоидных сплавах их равновесное охлаждение ниже сольвуса ESсопровождается образованием вторичного цементита, образующего оболочку вокруг первичного аустенитного зерна. Затем аустенит превращается в перлит. Поэтому любой заэвтектоидный сплав со структурой из зерен перлита, окаймленных оболочкой вторичного цементита. Под микроскопом вторичный цементит виден в форме сетки (рис.6.12,г).