Железо и сплавы на его основе.

4.1. Компоненты и фазы в системе железо – углерод.

Железо – металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0, 127 нм. Температура плавления железа 1539˚С. Железо имеет две полиморфные модификации α и γ. Модификация α-железа существует при температурах ниже 910˚С и выше 1392˚С (рис. 17). В интервале температур 1392-1539˚С α-железо нередко обозначают как δ-железо.

Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см³, температура плавления 3500˚С, атомный радиус 0,077нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения – цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы – феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-железе, имеющий объемноцентрированную кубическую решетку (ОЦК). Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Феррит имеет следующие механические свойства: σ_в = 250 МПа, σ_т = 120 МПа, δ = 50%, ψ = 80%, НВ 800.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе, имеющий гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК). Предельная растворимость углерода в γ-железе – 2,14%. Он имеет твердость НВ 1600-2000; δ = 40…50%.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C), содержит 6,67% С, имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается равной 1550⁰С. Цементит магнитен и характеризуется высокой твердостью НВ 8000.

Графит представляет собой свободный углерод. Кристаллическая решетка графита гексагональная. Он мягок, электропроводен, химически стоек, малопрочен.

4.2. Диаграммы состояния железо-углеродистых сплавов.

Существует две диаграммы железоуглеродистых сплавов: железо-цементит и железо-графит. Эта двойственность обусловлена тем, что в зависимости от внешних условий в равновесии с жидким раствором и твердыми растворами железа могут находиться как цементит (карбид железа Fe₃C), так и графит.

Цементит является неустойчивым химическим соединением, которое в случае длительного пребывания при достаточно высоких температурах диссоциирует с выделением графита. Неустойчивость цементита возрастает с повышением содержания углерода в сплавах. В сталях цементит отличается высокой устойчивостью; графит в них может появляться лишь в результате длительного пребывания (тысячи часов) при температурах 500⁰-700⁰С. В чугунах графит часто образуется уже при медленном охлаждении или при нагревах и относительно кратковременных выдержках при повышенной температуре.

.

Рис. 22. Фазовый анализ диаграммы состояния железо-цементит (а); верхний левый угол диаграммы (б)

Однако диаграмму состояний железоуглеродистых сплавов изображают двумя системами линий: сплошными, отражающими состояние равновесия в присутствии в сплавах цементита, и пунктирными – графита.

Наибольшее практическое значение имеет метастабильная диаграмма состояний Fe-Fe₃C, т. к. появление графита в чугунах объясняется протеканием вторичной реакции графитизации: цементит → железо + графит, а в сталях графит встречается чрезвычайно редко

Диаграмма состояний Fe-Fe₃C представлена на рис. 22.

На диаграмме Fe-Fe₃C точка А (1539⁰С) отвечает температуре плавления железа, а точка D (~1550⁰С) – температуре плавления цементита. Точки N (1392⁰С) и G (910⁰С) соответствуют полиморфному превращению α ↔ γ.

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния Fe-Fe₃C следующая: В – 0,51% С в жидкой фазе, находящейся в равновесии с δ-ферритом и аустенитом при перитектической температуре 1499⁰С; Н – 0,1% С предельное содержание в δ-феррите при 1499⁰С; J – 0,16% С – в аустените при перитектической температуре 1499⁰С; Е – 2,14% С предельное содержание в аустените при эвтектической температуре 1147⁰С; S – 0,8% С – в аустените при эвтектоидной температуре 727⁰С; Р – 0,02% С – предельное содержание в феррите при эвтектоидной температуре 727⁰С.

Кристаллизация сплавов Fe-Fe₃C. Линии диаграмм состояния Fe-Fe₃C, определяющие процесс кристаллизации, имеют следующие обозначения и физический смысл: АВ – линия ликвидус, показывает температуру начала кристаллизации δ-феррита (Ф) из жидкого сплава (Ж); ВС – линия ликвидус, соответствует температуре начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава (Ж); CD – линия ликвидус, соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (Ц_I) из жидкого сплава (Ж); АН – линия солидус, является температурной границей области жидкого сплава (Ж) и кристаллов δ-феррита (Ф); ниже этой линии существует только δ-феррит; HJB – линия перитектического превращения (1499⁰С), на ней происходит перитектическая реакция:

(жидкость состава т. В взаимодействует с кристаллами δ-феррита состава т. Н с образованием аустенита состава т. J). Линия ECF – линия солидус, соответствует кристаллизации эвтектики – ледебурита.

Ледебурит – эвтектика, представляющая собой механическую смесь кристаллов аустенита и цементита, полученную в процессе их одновременной кристаллизации из жидкого сплава, состоящая на момент образования из аустенита состава т. Е и цементита:

Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов, содержащих различное количество углерода. В сплавах, содержащих 0,1-0,16% С, по достижении температур, отвечающих линии АВ из жидкой фазы начинают выделяться кристаллы δ-феррита и сплав становится двухфазным Ж + δФ. Состав δФ при понижении температуры меняется по линии солидус, а состав Ф – по линии ликвидус. При температуре 1499⁰С в равновесии находятся δФ состава точки Н (0,1% С) и Ж состава точки В (0,51% С). При этой температуре протекает перитектическое превращение:

,

в результате которого образуется двухфазная структура δФ и А состава точки J (0,16% С).

В сплаве, содержащем 0,16% С, кристаллы твердого раствора δФ в результате взаимодействия с жидкой фазой при перитектической реакции полностью превращается в А:

.

В сплавах, содержащих от 0,16 до 0,51% С, при перитектической температуре в результате взаимодействия между δФ и Ж образуется А, но часть жидкой фазы остается неизрасходованной:

.

Процесс кристаллизации закончится по достижении температур, соответствующих линии солидус JE. После затвердевания сплавы приобретают однофазную структуру – аустенит.

Сплавы, содержащие от 0,51 до 2,14% С, кристаллизируются в интервале температур, ограниченном линиями ВС и JE. Ниже линии ВС сплавы состоят из жидкой фазы и аустенита. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус, а аустенита по линии солидус.

При температуре 1147⁰С аустенит достигает предельной концентрации, соответствующей т. Е (2,14% С), а оставшаяся жидкость – эвтектического состава т. С (4,3% С).

При температуре эвтектики (линия ECF) существует нонвариантное (С = 0) равновесие аустенита состава т. Е (А_Е), цементита (Fe₃C) и жидкой фазы состава т. С (4,3% С). В результате кристаллизации жидкого сплава состава т. С (4,3% С) образуется эвтектика – ледебурит, состоящая в момент образования из аустенита состава т. Е и цементита:

Доэвтектические сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит + ледебурит (А + Fe₃C). Эвтектический сплав (4,3% С) затвердеет при постоянной температуре с образованием только эвтектики – ледебурита.

Заэвтектические сплавы (4,3-6,67% С) начинают затвердевать с понижением температуры до линии ликвидус CD, когда в жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы цементита. Концентрация углерода в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус. При температуре 1147⁰С жидкость достигает эвтектической концентрации 4,3% С (т. С) и затвердевает с образованием ледебурита. После затвердевания заэвтектические сплавы состоят из первичного цементита и ледебурита.

Сплавы, содержащие до 2,14% С, называют сталью, а более 2,14% С – чугуном. Стали после затвердевания не содержат хрупкой составляющей – ледебурита – и при высоком нагреве имеют только аустеничную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при нормальных и повышенных температурах, т. е. являются в отличие от чугуна ковкими сплавами.

По сравнению со сталью чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами, что объясняется присутствием в структуре чугуна легкоплавкой эвтектики.

Фазовые и структурные изменения в сплавах Fe-Fe₃C после затвердевания связаны с полиморфизмом железа и изменением углерода в аустените и феррите с понижением температуры. Превращения, протекающие в твердом состоянии, описываются следующими линиями: NH – начало полиморфного превращения δ-феррита в аустенит; NJ – окончание полиморфного превращения δ-феррита в аустенит; GS – начало полиморфного превращения аустенита в феррит; GP – при охлаждении соответствует окончанию превращения аустенита в феррит; SE – линия предельной растворимости углерода в аустените, при охлаждении соответствует температурам начала выделения из аустенита вторичного цементита. Линия эвтектоидного превращения PSK при охлаждении соответствует распаду аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоида – феррито-цементитной структуры, получившей название перлит

Изменение растворимости углерода в феррите в зависимости от температуры соответствует линии PQ. При охлаждении эта линии соответствует температурам начала выделения третичного цементита, а при нагреве – полному его растворению.

Сплавы, содержащие ≤ 0,02% С (точка Р), называют техническим железом. Эти сплавы испытывают при охлаждении и при нагреве полиморфное превращение γ ↔ α между линиями GOS и GP.

Ниже GP существует только феррит. При дальнейшем медленном охлаждении по достижении температур, соответствующих линии PQ, из феррита выделяется цементит третичный, который резко снижает пластичность феррита.

Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% С, называют доэвтектоидными. При понижении температуры (ниже линии GOS) по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, которые растут, превращаясь в зерна. Количество аустенита уменьшается, а содержание в нем углерода возрастает, т. к. феррит почти не содержит углерода (≤ 0,02% С).

При понижении температуры состав аустенита меняется по линии GOS, а феррита – по линии GP.

Чем выше концентрация углерода в стали, тем меньше образуется феррита. По достижению температуры 727⁰С (А₁) содержание углерода в аустените достигает 0,8% (т. S). Аустенит, имеющий эвтектоидную концентрацию углерода, распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих перлит.

Эвтектоидное превращение аустенита происходит при постоянной температуре 727⁰С, при наличии трех фаз: феррит (0,02% С), цементит (6,67% С) и аустенит (0,8% С). При этом система нонвариантна: С = К – Ф + 1 = 2 – 3 + + 1 = 0.

Вариантность системы будет рассмотрена ниже.

После окончательного охлаждения доэвтектоидные стали имеют структуру феррит + перлит.

Чем больше в стали углерода, тем меньше в структуре феррита и больше перлита. При содержании в стали 0,6-0,7% С феррит выделяется в виде оторочки вокруг зерен перлита (ферритная сетка).

Сталь, содержащая 0,8% С называют эвтектоидной. В этой стали по достижении температуры 727⁰С весь аустенит превращается в перлит. Перлит чаще имеет пластинчатое строение, т. е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита.

Стали, содержащие от 0,8% до 2,14% С, называют заэвтектоидными. Выше линии ES в этих сплавах будет только аустенит. При температурах, соответствующих линии ES, аустенит оказывается насыщенным углеродом, и при понижении температуры из него выделяется вторичный цементит, т. е. сплавы становятся двухфазными (А + Ц_II). По мере выделения цементита концентрация углерода в аустените уменьшается по линии ES. При снижении температуры до 727⁰С (линия PSK) аустенит, содержащий 0,8% С, превращается в перлит. После охлаждения заэвтектоидные стали состоят из перлита и вторичного цементита, который выделяется в виде сетки по границам бывшего зерна аустенита и делает сталь хрупкой.

В доэвтектических чугунах, содержащих 2,14-4,3% С, при понижении температуры, вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените (линия SE), происходит частичный распад аустенита – как первых его кристаллов, выделившихся из жидкости, так и аустенита, входящего в ледебурит. Это приводит к выделению кристаллов вторичного Fe₃C и уменьшению содержания углерода в аустените. При температуре 727⁰С аустенит, обедненный углеродом до 0,8%, превращается в перлит. Таким образом, доэвтектические чугуны после окончательного охлаждения имеют структуру: перлит, ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит; чем больше в чугуне углерода, тем меньше перлита и больше ледебурита. Эвтектический чугун содержит 4,3% С, при температурах ниже 727⁰С состоит только из ледебурита (перлит + цементит).

Заэвтектический чугун содержит углерода больше, чем 4,3%, и после затвердевания состоит из цементита и ледебурита (аустенит + Fe₃C).

При понижении температуры эвтектический аустенит обедняется углеродом вследствие выделения избыточного цементита и при температуре 727⁰С распадается с образованием перлита. После охлаждения заэвтектические чугуны состоят из первичного цементита, имеющего форму пластин, и ледебурита (перлит + цементит). С повышением содержания углерода количество цементита возрастает.

Цементит третичный в сталях и чугунах, а также цементит вторичный в эвтектическом и заэвтектических чугунах как самостоятельные структурные составляющие при микроструктурном анализе обычно не обнаруживаются.

Следует отметить, что все описанные изменения структуры, происходящие при охлаждении сплавов, обратимы, т. е. они совершаются и при нагреве сплавов (в обратном порядке).

О фазовых превращениях, происходящих в сплавах, можно судить по кривым охлаждения или нагревания. К числу фазовых превращений относятся плавление или кристаллизация, перестройка кристаллической решетки, полиморфизм, перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращение и перекристаллизация.

Система характеризуется параметрами своего фазового состояния: температурой, давлением и объемом. В двух- и многокомпонентных системах вместо объема указывается относительное содержание (массовая доля) компонентов.

Фазовое состояние системы, характеризующееся числом сосуществующих фаз (Ф), зависит от числа компонентов (К) и числа степеней свободы С. Эти три фактора связаны уравнением С = К – Ф + 1, которое называется правилом фаз, где за 1 принят параметр температура.

Правило фаз используется для фазового анализа кривых охлаждения.

Весовое соотношение структурных составляющих (или фаз), присутствующих в сплавах, а также соотношение кристаллических фаз в структурных составляющих – эвтектиках и эвтектоидах, можно определить по правилу отрезков.

Количества твердой и жидкой фаз данного сплава при рассматриваемой температуре обратно пропорциональны отрезкам горизонтали, проведенной через данную точку до пересечения с линией ликвидуса и с линией солидуса (или с линией ликвидуса и осью ординат).

Например, определим количество аустенита и жидкого расплава в сплаве с содержанием углерода 2% при температуре 1300⁰С (рис. 23). Отрезок «ас» характеризует весь сплав, тогда количество аустенита Q_A и количество жидкой фазы Q_Ж определяются по формулам:

,

.

Значит в точке «b» аустенита по отношению ко всему сплаву находится 63,1%, а жидкого сплава 36,9%.

Определим весовое соотношение структурных составляющих в белом доэвтектическом чугуне с 3% С при 900⁰С (рис. 23).

При 900⁰С в белов доэвтектическом чугуне имеются три структурные составляющие: эвтектика, аустенит и вторичный цементит.

Поскольку весовая доля эвтектики не изменяется с температуры ее образования до комнатной (20⁰С) температуры, подсчитаем, сколько в нашем сплаве было эвтектики (т. е. ледебурита) при эвтектической температуре 1147⁰С, т. е. тогда, когда присутствовали только две структурные составляющие: ледебурит и аустенит. Содержание углерода в эвтектике равно 4,3%, содержание углерода в аустените при 1147⁰С равно 2,14%. Таким образом, отношение веса эвтектики к весу всего сплава равно отношению отрезка ЕО к отрезку ЕС:

.

Остальная доля веса приходится на аустенит, которую при эвтектической температуре будет около 60%.

При охлаждении чугуна от эвтектической температуры до 900⁰С из аустенита выделяются кристаллы вторичного цементита, согласно линии предельной растворимости ES, т. е. содержание углерода в аустените соответствует точке «е», что составляет 1,3%.

Подсчитаем теперь, сколько по весу вторичного цементита должно выделяться из аустенита при охлаждении с 1147⁰С до 900⁰С. Содержание углерода в аустените при 900⁰С равно 1,3%, содержание углерода в цементите 6,67%. Следовательно, отношение веса кристаллов вторичного цементита к весу всего сплава соответствует отношению отрезков «ek» к «el»:

.

В качестве примера рассмотрим процесс структурообразования в охлажденной стали с 0,4% С (рис. 23). Выше точки t₁ сталь находится в жидком состоянии и охлаждается. В интервале температур t₁ – t₂ из жидкой фазы, концентрация углерода (состав) в которой изменяется по ликвидусу АВ, образуются кристаллы δФ. Их состав определяется по солидусу АН. При кристаллизации выделяется теплота и на участке кривой t₁ – t₂ охлаждение сплава замедляется.

При температуре t₂ (1499⁰С) происходит перитектическое превращение:

.

Избыточный жидкий расплав кристаллизуется при охлаждении в интервале температур t`₂ – t₃ с образованием аустенита. В интервале температур t₃ – t₄ происходит охлаждение аустенита. При температурах t₄ – t₅ происходит полиморфное превращение, т. е. аустенит, имеющий решетку ГЦК, превращается в феррит, имеющий решетку ОЦК. При этом содержание углерода в аустените изменяется по линии 4S, а массовая доля аустенита уменьшается. Содержание же углерода в феррите изменяется по линии 4^/P, а массовая доля феррита увеличивается.

При температуре t₅ (727⁰С) концентрация углерода в аустените будет соответствовать точке S (0,8% С), а в феррите – точке Р (0,02% С), т. е. происходит эвтектоидное превращение:

,

когда из аустенита, не превратившегося в феррит, образуется перлит.

В процессе последующего охлаждения сплава из феррита, согласно линии предельной растворимости PQ, выделяется Ц_III, который наслаивается на цементит входящий в состав перлита и структурно не обнаруживается.

Массовые доли феррита и перлита, как структурных составляющих стали определим для температуры 700⁰С по правилу отрезков:

,

.

Массовая доля феррита как фазы, существующей вместе с цементитом, определяется как:

.

Остальные 4,3% приходятся на долю цементита.

Итак, структурный состав медленно охлажденной стали, содержащей 0,4% С, состоит из 51,3% феррита и 48,7% перлита, а фазовый состав будет соответствовать 95,7% феррита и 4,3% цементита.

Типовые примеры кривых охлаждения с указанными структурами представлены на рис. 24.

Вопросы для повторения раздела.

1. Какие фазы образуются в системе Fe – Fe₃C?

2. Укажите изотермические реакции, происходящие при охлаждении на линиях HIB, ECF, PSK.

3. Постройте кривую охлаждения и опишите превращения, происходящие в доэвтектоидной стали и заэвтектическом чугуне.

4. Как структурный и фазовый состав стали у чугуна зависят от содержания углерода и температуры?

5. Определите содержание углерода в структурных составляющих сплава, содержащего 1,3% С, при температуре 800ºС.

Основные понятия теории термической обработки.

5.1. Факторы, влияющие на термическую обработку.

Термической обработкой называют процессы, заключающиеся в тепловом воздействии на сплав по определенным режимам для изменения его структуры и свойств. От термической обработки за­висят качество и стойкость деталей и инструмента.

На результат термической обра­ботки влияют следующие факторы: время (скорость) на­грева, температура нагрева, время (продолжительность) выдержки, время (скорость) ох­лажде­ния. Таким образом, ос­новными фак­торами термической обработки явля­ются температура и время. По­этому процесс термической обработки обычно изображают в виде гра­фика в координатах «температура t – время τ». Если термическая обра­ботка состоит только из одной операции, то она называется простой, а если из нескольких опера­ций — сложной.

К операциям термической и химико-термической обработки относят: отжиг (полный, неполный, изотермический, на зернистый перлит, диффузионный и рекристаллизационный); нормализацию; закалку (непрерывную в одной среде, прерывистую, ступенчатую, изотермическую, различные виды поверхностной закалки); отпуск; старение; обработку холодом; термомеханическую обработку; цементацию; азотирование; цианирование; нитроцементацию и др.

5.2. Термическая обработка и диаграммы состояния.

Основные виды термической обработки — отжиг (с фазовой пе­рекристал­лизацией) и закалка с отпуском — применимы только для тех сплавов, которые образуют диаграмму состояния с ограничейной раство­римостью компонентов в твердом состоянии уменьшающейся с пониже­нием температуры (рис. 25, а)или с полиморфными превращениями (рис. 25,б).В первом случае (см. рис. 25,а) при нагреве сплавов с концентрацией компонента В от точки S до точки E можно получить однородный

твердый раствор αи быстрым охлаждением зафиксировать его при температуре 20˚ С (закалка) с получением пересыщенного твердого раствора. При этом наиболее часто прочность несколько повышается, а пластич­ность не изменяется. При последующем нагреве (отпуске) будет происходить выделение из пересыщенного раствора α избыточной фазы В. При этом резко повышаются прочность и твердость и не­сколько снижается пластичность. Во втором случае (см. рис. 25, б)из исходного состояния α+ В-фаз при нагреве можно получить γ-фазу. При последующем медленном охлаждении вновь образуются α + В-фазы (отжиг с фазовой перекристаллизацией), а при быстром охлаждении (закалке) будет фиксироваться фаза, называе­мая мартенситом, обладающая высокой твердостью и прочностью.

5.3. Превращения в стали при нагреве.

Превращение перлита в аустенит.Согласно нижней левой части диаграммы состояния железо—цементит (рис. 26) при нагреве стали перлит превращается в аустенит при температуре критиче­ской точки А₁(линия PSK, температура 727° С). В действитель­ности превращение перлита в аустенит (а также и обратное пре­вращение аустенита в перлит) не может происходить при

727° С, так как при этой температуре свободная энергия перлита равна свободной энергии аустенита (рис. 27). Поэтому для превращения перлита в аустенит температура нагрева должна быть обязательно немного выше равновесной температуры 727° С, т. е. должен быть так называемый перенагрев, так же как для превращения аусте­нита в перлит должно быть обязательно некоторое переохлаждение.

Процесс превращения перлита в аустенит в эвтектоидной стали (содержащей 0,8% С) при нагреве происходит следующим образом (рис. 28). Сталь в исходном состоянии представляет смесь фаз феррита (α-железо) и цементита (рис.28.а). При нагреве несколько выше критической точки А₁(727° С) на границе ферритной и цементитной фаз начинается превращение α→ γ,приводящее к образованию низкоуглеродистого аустенита, в котором растворяется це­ментит (рис. 28.б).Образующийся аустенит химически неоднороден. Концентрация углерода на границе с цементитом значи­тельно выше, чем на границе с ферритом. Превращение α→ γ про­текает быстрее, чем растворение цементита, и поэтому, когда все α-железо (феррит) превратится в γ-железо (аустенит), цементит еще остается (рис.28.д). После растворения всего цементита превращение заканчивается (рис.28.е),но образовавшийся аустенит имеет неравномерную концентрацию углерода по объему, уменьшаю­щуюся от центра к периферии зерна. Только после дальнейшего повышения температуры или дополнительной выдержки аустенит в результате диффузии углерода становится однородным по всему объему.

На скорость превра­щения перлита в аустенит влияют многие факторы: температура превращения, скорость нагрева, дисперсность исходной структуры, химический состав стали.

Рост зерна аустенита при нагреве.Зерна аустенита, обра­зующиеся при нагреве стали выше критической точки А₁, полу­чаются

мелкими (начальное зерно аустенита). При повышении температуры происходит рост зерен, заключающийся (как один из механизмов роста зерна аус­тенита) в слиянии и погло­щении более мелких зерен более крупными. При росте зерна атомы переходят (в ре­зультате самодиффузии) от соседнего зерна к растущему через границу, вследствие чего границы зерен перемещаются.

От размера зерна аустенита, образовавшегося при нагреве (действительного зерна), зависит размер зерна продуктов распада аустенита. Если зерно аустенита мелкое, то и продукты распада аустенита получаются мелкими. От размера действительного зерна зависят также механические свойства стали, главным обра­зом вязкость, значительно понижающаяся с увеличением размера зерна.

Размер наследственного (природного) зерна влияет на техно­логические свойства стали. Если, например, сталь наследственно мелкозернистая, то ее можно нагревать до высокой температуры (950—1000° С), не опасаясь получения крупного зерна.

5.4. Превращения в стали при охлаждении.

Распад переохлажденного аустенита(диаграмма изотермиче­ского превращения аустенита). Распад аустенита может происхо­дить только при температурах ниже 727° С (критическая точка А₁). Следова­тельно, для распада аустенит должен быть переохлажден. От степени переох­лаждения, т. е. от температуры, при которой происходит распад аустенита, зависят скорость пре­вращения и строение продуктов распада аустенита. Законо­мерности этого про­цесса характеризу­ются диа­граммой изотермического превращения аустенита, т. е. распадом аустенита при постоянной температуре.

Если нагретую до состояния аустенита сталь быстро охладить до температуры ниже температуры в критической точке А₁и затем выдер­жать при данной температуре, то превращение аустенита в ферри­тоце­ментитную смесь будет проходить в течение определен­ного времени. Та­кой процесс превращения аустенита при постоян­ной температуре (изо­термический процесс) можно охарактери­зовать зависимостями, приве­денными на рис. 29. После охлажде­ния стали до температуры t ниже тем­пературы в критической точке А₁аустенит сохраняется нераспавшимся некоторое время (отре­зок о—а на рис. 29). Этот период времени называ­ется инкубацион­ным периодом. По исте­чении инкубационного пе­риода начинается рас­пад ау­стенита на фер­рито-це­ментитную смесь. С те­чением вре­мени аусте­нит распада­ется все больше (отрезок а—б). Полный распад аусте­нита заканчивается по истечении времени, рав­ного отрезку а—в (рис. 29).Следова­тельно, для распада ау­стенита на феррито-це­ментитную смесь при какой-то оп­ределенной темпе­ратуре требуется определенное время.

По эксперимен­тальным кривым, полу­ченным для многих тем­пе­ра­тур переохлаждения (t₁, t₂, и т. д.), можно построить диаграмму изо­термического превращения аустенита. Построе­ние такой диа­граммы производится следующим образом. Эксперимен­тальные кривые совмещают на одной диаграмме (рис. 30.а). По осям ко­ординат диаграммы (рис. 30.б) откладывают время (ось абсцисс) и темпе­ратуру распада аустенита (ось ординат). В связи с тем, что время распада аустенита может изменяться от несколь­ких секунд до нескольких часов, для удобства построения приме­няется логарифмическая шкала времени (ln τ). Затем проводят ли­нии, соответствующие температуре в точке А₁и температуре начала мартенситного превращения (точка М_н *). Точки а (начала распада аустенита) и б (окончания распада) для каждой температуры превращения переносят на соответствующие горизон­тали темпе­ратур. Затем точки а₁ а₂ и т. д. соеди­няют, в результате чего полу­чается левая кривая диаграммы. После пере­носа соединения то­чек б₁, б₂ и т. д. получается пра­вая кривая диаграммы. Получив­шиеся кривые похожи на русскую букву С, поэтому их и называют С-кривыми. Левая кривая характеризует начало распада, а пра­вая — окончание распада аусте­нита на феррито-цемен­титную смесь. В области между вертикальной осью и левой кривой аустенит находится в переохлажденном состоянии (инку­бационный пе­риод).

Приведенная на рис. 31 диаграмма изотермического распада: аусте­нита характерна для эвтектоидной стали.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области превращения: перлитную, промежу­точного превращения и мартенситную.

Перлитное превращение. Перлитная область распространяется на интервал температур от кри­тической точки А₁до изгиба С-кривой (~550° С). Распад аустенита с образованием перлита (эвтектоидный рас­пад) является диффузион­ным процессом и развива­ется в результате флуктуа­ции состава (неоднородно­сти в распределении угле­рода в аустените). Перед распадом углерод диффун­дирует внутри аустенитаи скапливается на границах зерен аустенита, в результате чего образуются зародыши цементита. Рост зародышей цементита происходит из-за диффузии углерода из при­легающего аустенита, что приводит к обеднению угле­родом аустенита, окружаю­щего образовав-шиеся пла­стинки цементита, и способ­ствует превращению его в феррит. Поэтому рядом с пластинками цементита об­разуются пластинки феррита. Таким образом, возникают участки перлита, в которых пластинки цементита и фер­рита расположены параллельно.

Структура, состоящая из чередующихся параллельных пластинок феррита и цементита, характерна для всей перлитной области (от точки А₁до изгиба С-кривой). Разница заключается только в том, что с увеличением переох­лаждения ниже 727° С (с понижением температуры превращения) пластинки феррита и цементита становятся более тонкими и искривленными, что характеризуется межпластиночным расстоянием l₀, под которым понимают сумму толщин двух соседних пластинок феррита и цементита. С уменьшением межпластиночного расстояния значительно изменяются механические свойства — повышается прочность и твердость и уменьшается пластичность. Под перлитом понимают продукты эвтектоидного распада аустенита, образующиеся при темпе­ратурах 650—700° С (l₀ = 0,6÷1,0 мкм; НВ 180—250). Если аустенит переохлажден до 600—650° С и при этих темпера­турах распадается, то образующаяся более мелкая феррито-цементитная смесь называется сорбитом (l₀ = 0,25÷0,3 мкм; НВ 250–350). При переохлаждении аустенита до 500—600° С образуется еще более мелкая феррито-цементитная смесь, назы­ваемая трооститом (l₀ = 0,1÷0,15 мкм; НВ 350—450).

Мартенситное превращение. Мартенсит имеет совершенно отличную от других структур природу и образуется не так, как феррито-цементитные смеси. Характерной особенностью аустенито-мартенситного превращения является его бездиффузионный ха­рактер.

При большом переохлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частиц цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. Ре­шетка γ-железа перестраивается в решетку α-железа. Углерод остается внутри решетки α-железа, в результате чего получается пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе.

Значительное пересыщение α-железа углеродом вызывает изме­нение объемно-центрированной кубической решетки в тетраго­нальную, элементарной ячейкой которой является прямоугольный параллелепипед (рис. 32). Атомы углерода в такой ячейке распола­гаются в межузлиях (что характерно для твердого раствора вне­дрения) или в центре основания (сторона а), или в середине удли­ненных ребер (сторона с). Степень тетрагональности, характеризу­ющаяся отношением осей с/а, увеличивается с повышением содержания углерода в твердом растворе, достигая в стали, содержащей 1,7% С, величины 1,08.

Из изложенного следует, что мартенсит является пересыщен­ным твердым раствором внедрения углерода в α-железе. Превраще­ние аусте-

нита в мартенсит протекает в определенном интервале температур. При охлаждении оно начинается при некоторой температуре в точке М_н(см. рис. 30), кото­рая в отличие от начала перлитного пре­вращения не зависит от скорости охлажде­ния (для данной стали). Все большее пре­вращение аустенита в мартенсит происхо­дит по мере понижения температуры и заканчивается при температуре в точке М_к (см. рис. 31).

Характерным для мартенситного превращения является то, что даже при температуре конца мартенситного превращения (точка М_к) не происходит полного образования мартенсита. Аустенит частично остается не превращенным в мартенсит и назы­вается остаточным аустенитом.

Если в мартенситном интервале охлаждение приостановить и дать выдержку, то превращение аустенита в мартенсит почтисразу же прекращается. Эта особенность резко отличает мартенситное превращение от перлитного, которое полностью протекает при постоянной температуре ниже А_i. При выдержке при темпе­ратурах, близких температуре в точке М_к, не только прекращается образование мартенсита, но уве