Эвтектоидное превращение.

Эвтектоидным называется превращение твердой фазы в две новые твердые фазы. Типичным примером такого превращения является распад твердого раствора углерода в железе с ГЦК решеткой (аустенита) на феррит (твердый раствор углерода в железе с ОЦК решеткой) и цементит (химическое соединение Fe₃C). В сплаве железа с углеродом, содержащем 0,8 % (по массе) углерода при температурах выше 727С термодинамически устойчивым является аустен

Рисунок 2 Участок диаграммы Fe-Fe₃C

ит, а при меньших температурах смесь феррита и цементита.

При охлаждении сплава, содержащего 0,8 %С, с температур превышающих 727 С происходит распад аустенита на феррит и цементит. Распад формально напоминает превращение жидкости в две твердые фазы – эвтектическое превращение. Поэтому такой распад называют эвтектоидным. Следует иметь в виду, что химический состав аустенита и образующихся новых фаз – феррита и цементита существенно различаются. Поэтому существенную роль в превращении будут иметь диффузионные процессы.

Для более глубокого понимания формирования структуру построим диаграмму изотермического распада – графическую зависимость между количеством фаз, временем и температурой материала.

Рис. Диаграмма изотермического распада эвтектоидного сплава Fe-Fe₃C.

При охлаждении сплава из области аустенита строго до 727 С аустенит находится в термодинамическом равновесии с ферритом и цементитом. Поэтому, превращения аустенита в феррито-цементитную смесь произойти не может. Если сплав резко переохладить до температурыt₁(поместив достаточно тонкий образец в соляную ванну с температуройt₁), то через некоторое время₁начнется превращение аустенита в феррит и цементит, а через время₂превращение закончится. По мере увеличения переохлаждения время необходимое для начала превращения сокращается, поскольку увеличивается разница в уровнях свободной энергии фаз. Однако при достаточно большом переохлаждении время необходимое для начала и завершения превращения вновь возрастает. Это связано с тем, что при больших степенях переохлаждения снижается скорость диффузионных процессов.

Диаграмма изотермического распада удобна также тем, что наклон зависимости «температура - время» представляет собой скорость охлаждения. Рассмотрим особенности формирования структуры при различных скоростях охлаждения.

При охлаждении сплава с малыми скоростями пересечение диаграммы изотермического охлаждения с линией изменения температуры наблюдается при высокой температуре. Следовательно, из-за малой степени переохлаждения аустенита в нем образуется малое количество зародышей новых фаз феррита и цементита. Поскольку химический состав исходной фазы и образующихся из него новых фаз существенно различается, то для превращения необходимо диффузионное перемещение атомов. Активнее всего диффузия развивается по границам зерен, поэтому зародыши феррита и цементита образуются на границах зерен аустенита. После формирования частиц феррита и цементита появляются новые границы раздела «феррит - аустенит» и «цементит – аустенит». По

вновь образовавшимся границам продолжается диффузия соответствующих элементов к растущим частицам.

Рисунок 3

В результате этого процесса аустенит превращается в пластинчатую смесь феррита и цементита.

При медленном охлаждении стали из области аустенита – отжиге стали (производится путем охлаждения вместе с печью), превращение начинается при малом переохлаждении (см. рис ). Поскольку термодинамическая движущая сила процесса не велика, то зародыши феррита и цементита получаются крупными. В итоге формируется грубопластинчатая смесь феррита и цементита с суммарной толщиной пластин феррита и цементита 1 мкм. Такую смесь принято называть перлитом (от французского словаpearlite– разноцветный, радужный). При травлении полированного шлифа канавки на границах раздела «феррит- цементит» образуют дифракционную решетку. Поэтому при исследовании структуры методом оптической микроскопии перлит выглядит как разноцветное пятно.

При увеличении скорости охлаждения аустенита – охлаждении на воздухе (охлаждение из области аустенита на воздухе называют нормализацией) превращение начинается при большем переохлаждении, поэтому зародыши феррита и цементита имеют меньшие размеры. Суммарная толщина пластин феррита и цементита составляет 0,25-03 мкм. Такую смесь называют сорбитом.

Дальнейшее увеличение скорости охлаждения, охлаждение из области аустенита в масле (такую обработку называют одинарной обработкой) приводит к формированию троостита - феррито-цементитной смеси с суммарной толщиной пластин феррита и цементита 0,1-0,15 мкм.

Таким образом, при эвтектоидном распаде увеличение скорости охлаждения ведет к измельчению частиц образующихся фаз. Следовательно, увеличивается суммарная протяженность границ раздела фаз и затрудняется движение дислокаций. Иначе говоря, увеличение скорости охлаждения ведет к монотонному росту прочности материала. При достаточно высоких скоростях охлаждения монотонный рост прочности (и твердости) стали прекращается, поскольку эвтектоидное превращение сменяется мартенситным.

Рис. Зависимость твердости стали (HB) от логарифма скорости охлаждения.