ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛЯХ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ

7.2.1 Изотермический распад аустенита

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева выше точки Ас₃ (для доэвтектоидной стали), выше Аcm (для заэвтектоидной) или выше Ас₁ (для эвтектоидной), охладить ниже точки А₁, то начнется превращение аустенита по реакции: А → Ф + Ц.

Исходная фаза – аустенит есть γ-Fе, в котором углерода столько, сколько было в исходной стали, В результате превращения образуются две новые фазы. Феррит – это α-Fе, почти не содержащее углерода, и цементит Fе₃С, содержащий 6,67 % углерода. Следовательно, должно произойти диффузионное перераспределение углерода и полиморфное γ → α превращение. Возникает сложное влияние степени переохлаждения на скорость распада аустенита ниже А₁, сначала процесс должен ускоряться, а дальше замедляться из-за снижения скорости диффузии. Различная скорость распада аустенита при разных температурах ниже А₁ приводит к различным механизмам распада переохлажденного аустенита. Эти сложные процессы описываются диаграммами изотермического распада переохлажденного аустенита, которые строят экспериментально. Они служат для теоретического анализа процессов структурообразования при температурах ниже А₁. Такая диаграмма, построенная для стали, содержащей 0,8 % С, приведена на рисунке 7.1.

Проведем анализ диаграммы:

А₁ (727 °С) – температура критической точки. Выше этой температуры у эвтектоидной стали существует устойчивый аустенит. Ниже этой температуры начинается распад аустенита, но будучи охлажденным ниже А₁, аустенит начинает распадаться не сразу, а в течение времени от оси ординат до точек линии 1 (в виде буквы «С») существует метастабильный аустенит, т. е. линия 1 – это начало диффузионного распада аустенита.

Рисунок 7.1 – Диаграмма изотермических превращений аустенита

эвтектоидной стали (0,8 % С)

Процесс этот продолжается до линии 2 (тоже напоминающей букву «С»), т. е. правее линии 2 существуют продукты распада аустенита. Какие это продукты?

В диапазоне температур А₁…650 °С образуется пластинчатая смесь феррита и цементита с толщиной пластин в пределах 0,6...1,0 мкм, с твердостью НВ = 1 800…2 500 МПа. Такую структуру называют перлитом (П). Если распад аустенита протекает в диапазоне температур 650...600 °С, образуется более дисперсная смесь пластин феррита и цементита с толщиной пластины 0,25...0,30 мкм, с твердостью НВ = 2 500…3 500 МПа. Такую структуру называют сорбитом (С). Наконец, если распад аустенита протекает в диапазоне температур 650...550 °С (t*), то образуется еще более тонкая пластинчатая смесь феррита и цементита, толщина пластин которой 0,1...0,15 мкм, с твердостью НВ = 3 500…4 500 МПа. Такую структуру называют трооститом (Т). Следовательно, П, С, Т – структуры одной физической природы, представляющие собой механическую смесь феррита и цементита, отличающиеся дисперсностью. Чем ниже температура образования структуры, тем выше ее дисперсность, выше твердость и прочность стали. Диапазон образования П, С, Т (от А₁ до t*) называют перлитным превращением. Это превращение подчиняется основным законам кристаллизационного процесса.

Если распад аустенита происходит в диапазоне температур 550 °С (t* )… 220 °С (М_Н), то превращение протекает в условиях затрудненной диффузии. Образуется особая структура, получившая название «бейнит», а само превращение называется бейнитным (промежуточным). Бейнит – это структура, состоящая из а-раствора перистой формы с повышенным содержанием углерода (Ф^/) и мелких частиц карбидной фазы, по составу и строению, по-видимому, несколько отличающейся от цементита (Ц^/). Сталь с бейнитной структурой имеет твердость в пределах НВ = 4 500…5 500 МПа, высокий уровень прочности и умеренной пластичности и вязкости. Это объясняется повышенным содержанием углерода и большой плотностью дислокаций в бейнитной а-фазе, а также образованием дисперсных карбидов, расположенных в кристаллах этой фазы.

Если распад аустенита происходит при еще более низких температурах, когда диффузия становится невозможной (ниже точки М_Н, рис. 7.1), возникает особое превращение, называемое мартенситным. Мартенситное превращение – бездиффузионное, в результате образуется особая структура – мартенсит.

Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в а-Fе. Его характерные свойства: высокая твердость (до НВ = 6 500 МПа), хрупкость, имеет тетрагональную кристаллическую решетку (кубическая а-решетка «вытянута» вдоль одной грани, т. е. с > а), игольчатую форму кристаллов. Чем выше содержание углерода, тем выше твердость мартенсита.