Перлитное превращение (диффузионная перекристаллизация)

Процесс превращения аустенита в перлит (перекристаллизация) подчиняется законам кристаллизации и зависит от числа возникающих центров кристаллизации новых фаз (Ф и Ц) и скорости роста кристаллов. Это определяется переохлаждением аустенита, т. е. скоростью охлаждения стали. Изменяя скорость охлаждения, а следовательно, и степень переохлаждения, можно воздействовать на структуру и свойства стали.

Перлитное превращение аустенита по своему механизму является диффузионным – А_{0,8 % С} → Ф_{0,02 % С} + Ц_{6,67 % С}. Ведущей, в первую очередь возникающей фазой является цементит, его зародыши образуются на границах зерен аустенита (рис 2.2, а). Образовавшаяся пластинка цементита увеличивается за счет диффузии углерода из прилегающих объемов аустенита, в которых его содержание понижается (рис. 2.2, б). Когда содержание углерода в аустените снизится до 0,2 %, происходит полиморфное превращение гамма-железа в альфа-железо и рядом с пластинкой цементита (вдоль нее) образуется пластинка феррита.

а б в г

Рис. 2.2. Схема перекристаллизации зерна аустенита в колонии перлита:

а − образование зародышей цементита; б – процесс роста пластинок цементита;

в – окончание превращения аустенита в перлит; г – оценка дисперсности перлита

В результате образования и роста частиц цементита вновь создаются условия возникновения и увеличения пластинок феррита. Такой совместный рост двухфазной «колонии» в результате диффузионного перераспределения углерода – характерная особенность перлитного превращения (рис. 2.2, в).

С увеличением скорости охлаждения и степени переохлаждения растет число зародышей (количество ферритоцементитных пластинок увеличивается), а их размеры и расстояния между ними уменьшаются.

В зависимости от степени дисперсности (измельчения) феррито-цементитной смеси различают структуры: перлит, сорбит, троостит. Это разделение условное, и между структурами нет четкой границы. Дисперсность перлита оценивается межпластинчатым расстоянием S₀, мкм (рис. 2.2, г). Межпластинчатое расстояние для перлита S₀ = 0,5 – 1,0 мкм, для сорбита − S₀ = 0,2 –
0,4 мкм, для троостита − S₀ < 0,1 мкм.

При малой степени переохлаждения аустенита до температуры 700 –
650 °С образуется эвтектоидная ферритоцементитная смесь перлит, его твердость – 180 – 250 НВ (≈ 20 HRC). С увеличением переохлаждения происходит измельчение ферритоцементитной смеси. При температуре 650 – 600 °С образуется дисперсионная эвтектоидная ферритоцементитная смесь сорбит (твердость – 250 – 350 НВ (≈ 30 HRC)), а при 600 – 550 °С – высокодисперсная эвтектоидная ферритоцементитная смесь троостит (350 – 450 НВ ≈ 40 HRC) (рис. 2.3).

а б в

Рис. 2.3. Микроструктуры перлита (а), сорбита (б) и троостита (в)
(электронная микроскопия. Увеличение – 10000-кратное)

В доэвтектоидной стали превращение аустенита начинается ниже критической температуры Ас₃ (линии GS) с выделением избыточной фазы феррит, а в заэвтектоидных – ниже критической температуры Ас_m (линии SE) выделяется избыточный цементит, в аустените эвтектоидного состава превращение идет ниже критической температуры Ас₁ (линии PSK ,727 °С) по описанному выше механизму.