С

8 Полиморфные превращения

троение затвердевшихжелезоуглеродистых сплавов существенно изменяется при дальнейшем охлаждении. Эти изменения обусловлены полиморфными превращениями железа, уменьшением растворимости в нем углерода, графитизацией цементита. Структура может изменяться в твердом состоянии в результате процессов рекристаллизации твердых растворов, сфероидизации кристаллов (из неравноосных становятся равноосными), коалесценции (одни кристаллы цементита укрупняются за счет других) высокоуглеродистых фаз.

Полиморфные превращения в железоуглеродистых сплавах связаны с перестройками гранецентрированной кубической (ГЦК) решетки -Fe и объемноцентрированной решетки (ОЦК) - и -Fe.

При небольших переохлаждениях (и перегревах) имеет место нормальная перестройка решёток железа, осуществляющаяся в результате неупорядоченных индивидуальных переходов атомов от исходной фазы к образующейся; она сопровождается диффузионным перераспределением углерода между фазами. Образуются равноосные кристаллы твердого раствора с малым числом дефектов. Сплав I (рис. 1.2) при охлаждении испытывает полиморфное  превращение в интервале температур 3-4, в результате чего из кристаллов высокотемпературного феррита образуется аустенит. В интервале температур 5-6 в этом сплаве протекает полиморфное превращение (рис. 1.3). В этом случае из аустенита образуется феррит.

При больших скоростях охлаждения или нагревания полиморфные превращения твёрдых растворов происходят бездиффузионным (мартенситным) путём. Решётка железа перестраивается быстрым сдвиговым механизмом в результате упорядоченных коллективных смещений атомов без диффузионного перераспределения углерода между фазами.

Влияние растворимости углерода на структуру сплава

В связи с изменением растворимости углерода в - и -железе при охлаждении и нагревании структура сплавов также изменяется. При охлаждении твердые растворы пересыщаются углеродом и выделяются кристаллы высокоуглеродистых фаз (цементита или графита). Из рисунка 1.3 видно, что при охлаждении сплава I ниже температуры точки 7 из феррита выделяются кристаллы цементита третичного. В сплаве VI в интервале температур 3-4 из аустенита выделяется цементит вторичный. При нагревании высокоуглеродистые фазы (в сплавах I и VI это цементит) растворяются в феррите или в аустените.

Зарождение и рост кристаллов цементита в пересыщенных растворах происходит обычно с большей скоростью, чем образование графита, и поэтому железоуглеродистые сплавы часто метастабильны. В зависимости от переохлаждения цементит, выделяющийся из твёрдого раствора, может иметь вид равноосных кристаллов, пограничной сетки, пластин и игл.

При высокотемпературных выдержках кристаллы цементита сфероидизируются; может происходить и процесс коалесценции. Если сплавы, содержащие цементит, длительно выдерживать при повышенных температурах, происходит графитизация – зарождается и растет графит, а цементит растворяется. Этот процесс используется при производстве изделий из графитизированной стали и ковкого чугуна.

9 Распад аустенита при охлаждении

Важную роль при формировании структуры в твердом состоянии играет эвтектоидный распад аустенита на феррит и высокоуглеродистую фазу. При очень малых переохлаждениях образуются феррит и графит, при небольшом увеличении переохлаждения – феррит и сфероидизированный цементит, затем смесь феррита и цементита приобретает пластинчатое строение перлита, тем более тонкое, чем больше переохлаждение. При переохлаждениях, измеряемых сотнями градусов, эвтектоидный распад подавляется, и аустенит превращается в мартенсит.

Из рис. 1.3 и 1.4 видно, что при медленном охлаждении сплавы, содержащие более 0,02% С при температуре 727 С испытывают эвтектоидное превращение аустенита в фазовую смесь феррита и цементита (перлит). На кривых охлаждения появляется горизонтальная площадка.