2.1.1. Диаграмма изотермического превращения аустенита

Для изучения структурного превращения стали ее нагревают до аустенитного состояния, а затем быстро охлаждают до определенного значения температуры (700, 600, 500С и т. д.), при которой выдерживают до полного распада переохлажденного аустенита. Кинетику процесса исследуют по термокинетическим кривым, построенным в координатах: процент превращения – время (Рис. 2.1 а). В течение некоторого промежутка времени аустенит не распадается (это время называется инкубационным периодом – точки а₁, а₂,…,а₅, соответствующие времени начала превращения). Затем начинается образование ферритоцементитной смеси, которое заканчивается через промежуток времени, соответствующему положению точкам б₁, б₂,…,б₅, на термокинетических кривых.

В ремя начала и конца распада аустенита при постоянных значениях температуры переносят на координатное поле: температура – логарифм времени в с., строят диаграмму изотермического превращения аустенита данной стали. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали (0,8 % С) представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1 Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали и схема ее построения (слева)

Две горизонтальные линии соответствуют температуре перлитного A₁ и температуре начала мартенситного М_н превращений. Левая кривая характеризует время начала превращения, а правая – время конца превращения аустенита в интервале температуры A₁ – М_н. Кривые по форме подобны русской букве «С», и поэтому их, а иногда и диаграмму, называют С-образными.

Область, лежащая слева от кривой начала распада аустенита, определяет продолжительность инкубационного периода. В интервалах температуры и времени, определяемых этой областью, существует переохлажденный аустенит. С увеличением переохлаждения его устойчивость уменьшается, достигает минимума при 550°С и вновь увеличивается.

Продуктами диффузионного распада аустенита в области температуры от A₁ до 550°С является ферритоцементитная смесь пластинчатого строения (перлит, сорбит, троостит). От температуры 550°С до М_н образуется ферритоцементитная смесь игольчатого строения – бейнит (игольчатый троостит). При переохлаждении аустенита ниже точки М_н происходит его бездиффузионнное превращение в структуру закаленной стали – мартенсит. Таким образом, в зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области превращения: перлитную, бейнитную (промежуточную) и мартенситную (см. рис. 2.1).

Практическое значение диаграммы состоит в том, что она позволяет установить, с какой скоростью, в каком охладителе нужно охладить данную сталь, чтобы получить структуру с заданными свойствами.

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 – 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. 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.

П ри 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 10 000)

В доэвтектоидных сталях 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 состав превращение идет ниже критической температуры Ас₁ (линии PSK ,727°С) по выше описанному механизму.