2.1.2 Перлитное превращение (диффузионная перекристаллизация)
Процесс превращения аустенита в перлит (перекристаллизация) подчиняется законам кристаллизации. Он зависит от числа возникающих центров кристаллизации новых фаз (Ф и Ц) и скорости роста кристаллов. Это в свою очередь 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 – А0,8 % С → Ф0,02 % С + Ц6,67 % С. Ведущей, в первую очередь возникающей фазой является цементит. Его зародыши образуются на границах зерен аустенита. Образовавшаяся пластинка цементита растет за счет диффузии углерода из прилегающих объемов аустенита, в которых его содержание понижается. 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 (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Схема перекристаллизации зерна аустенита в колонии перлита
В результате образования и роста частиц цементита вновь создаются условия возникновения и роста пластинок феррита. Такой совместный рост двухфазной «колонии» в результате диффузионного перераспределения углерода – характерная особенность перлитного превращения.
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).
При малых степенях переохлаждения аустенита до температуры 700 – 650°С образуется эвтектоидная ферритоцементитная смесь – перлит. Его твердость – 180 – 250 НВ (≈ 20 HRC). С увеличением переохлаждения происходит измельчение феррито-цементитной 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).
Перлит Сорбит Тростит
Рис. 2.3. Микроструктуры перлита, сорбита и троостита (электронная микроскопия. Увеличение 10000)
В доэвтектоидных сталях превращение аустенита начинается ниже критической температуры Ас3 (линии GS) с выделением избыточной фазы – феррит, а в заэвтектоидных – ниже критической температуры Асm (линии SE) выделяется избыточный цементит, в аустените эвтектоидного состав превращение идет ниже критической температуры Ас1 (линии PSK ,727°С) по выше описанному механизму.
2.1.3 Мартенситное превращение
(Бездиффузионная перекристаллизация)
Если переохладить аустенит до температуры ниже начала мартенситного превращения Мн = 250 – 200°С произойдет бездиффузионное полиморфное γ-Fе – α-Fe превращение), в результате которого в кристаллической решётке образовавшегося мартенсита углерода будет столько, сколько содержалось в аустените стали до начала превращения,так как оно происходит при температуре, при которой диффузия атомов углерода, железа и других элементов не возможна. Максимальная же растворимость углерода в равновесном альфа-железе обычно не превышает 0,02 %.