Превращение аустенита в перлит при охлаждении

(второе основное превращение в стали)

При охлаждении аустенита (А) ниже температуры А_с1 происходит его превращение в перлит (П = Ф + Ц), за­ключающееся в перестройке решеток g- в a -железо и вы­делении цементита. Но следует отметить, что как для образования зародышей цементита, содержащего 25 % (ат.) С, так и для возникновения феррита (в a - решетке растворяется лишь 0,023 % С), важную роль играют флуктуации углерода.

Кинетика превращения А ® П как и П ® А подчиняет­ся общим закономерностям фазовых превращений, рас­смотренным в гл. I, при анализе процесса кристал­лизации.

Как и при кристаллизации из жидкости, скорость пре­вращения А ® П определяется скоростями зарождения центров превращения и их роста (см. рис. 12).

Но при рассмотрении превращения А ® П(Ф+Ц) следует учи­тывать, что в системе существуют не две, а три фазы и при оценке флуктуаций энергии, связанных с появле­нием зародышей, т. е. областей с новой упаковкой ато­мов, необходимо рассматривать отдельно вероятность появления фаз различного состава.

Обусловленный пе­реохлаждением системы выигрыш свободной энергии бу­дет расходоваться на образование поверхности раздела фаз и на их дальнейший рост.

Скорость процесса превращения аустенита в перлит описывается той же формулой, что и превращение перлита в аустенит, но только с различными численными значениями констант. Следовательно, скорость распада аустенита, как и других фазовых превращений, зависит от двух факторов, но основным является степень переохлажде­ния DT. Выигрыш свободной энергии смеси Ф+Ц, по сравнению со свободной энергией аустенита, с увеличе­нием переохлаждения растет, но чем больше DT, тем ниже температура превращения и тем медленнее протекает диффузия. Поэтому имеется некоторая оптималь­ная величина переохлаждения, при которой процесс А ® П идет с максимальной скоростью. Это - тем­пература минимальной устойчивости аустенита.

Рис. 70. Схема зарождения новых перлитных колоний

в зернах аустенита при охлаждении:

1 - первичные пластинки цементита в феррите;

2 - вторичные пластинки це­ментита в феррите; 3 - колонии перлита

Зарождение новых перлитных колоний и перестройка начинаются обычно у границ аустенитных зерен (рис. 70) и ведущей фазой является феррит.

При охлаждении гомогенного аустенита (в эвтектоидной стали), образовавшиеся кристаллы феррита и це­ментита (перлита), имеют пластинчатую форму (рис. 71).

Рис. 71. Схема структуры пластинчатого перлита

В углеродистой эвтектоидной стали «толщи­на» пластинок феррита почти не зависит от вели­чины исходного зерна ау­стенита, но существенно уменьшается с увеличени­ем степени переохлаждения. При небольших переохлаждениях толщина пластинок близка к 1000 нм, а с уве­личением переохлаждения снижается до 100…200 м.

В зависимости от полусуммы толщин пластинок феррита и цементита d, различают перлит (d = 700…800 нм), сорбит (d…до 400 нм) и троостит (d до 100…200 нм).

С увеличением степени дисперсности структур пер­литного типа растет прочность и твердость сталей, но снижается пластичность. Лучшим сочетанием прочности и пластичности облада­ют сорбитные стали.

В неоднородном по концентрации углерода аустените (например, в заэвтектоидных сталях при температуре ниже точки A_см) может образоваться не пластинчатый, а зернистый перлит, в кото­ром цементитные частицы имеют форму зернышек. По-видимому, в этих случаях ведущей фазой является це­ментит.

Рис. 72. Схема построения диаграммы изотермического распада

аустенита для эвтектоидной стали:

а - кинетические кривые превращения при разных температурах (t₁ > t₂ > t₃);

Н₁, Н₂, Н₃ - начало превращения; К₁, К₂, К₃ - конец превращения; б - диаграмма превращения

Зависимость количества образовавшегося перлита описывают кинетической кривой (рис. 72, а). Видно, что на кривой имеется некоторый инкубационный период, период быстрого протекания про­цесса и период его затухания. Максимальная скорость процесса соответствует, примерно, моменту полураспада. Началу собственно перлитного превращения в доэвтектоидных сталях предшествует выделение избыточного фер­рита.

Влияние переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость его превращения в перлит обычно представ­ляют в виде диаграмм в координатах температура пре­вращения - десятичный логарифм времени (рис. 72, б), которые строят по кривым типа приведенных на рис. 72, а. Эти диаграммы удобно рассматривать на примере эвтектоидной стали.

Изотермическое превращение А ® П в указанной ста­ли происходит в интервале температур между 727 °С (температура выше которой аустенит в стали устойчив) и 210 °С (температура, ниже которой в этой стали начинается бездиффузионное мартенситное превращение, о котором речь пойдет в следующем разделе.

В области диаграммы, ограниченной С - образными кривыми1 и 2 и происходит превращение А ® П . Линия 1 соответствует началу превращения, линия 2 - его кон­цу. Левее линии 1 существует устойчивый аустенит, пра­вее линии 2 - продукты распада аустенита - Ф + Ц.

Как видно из диаграммы, аустенит наименее устой­чив при температуре 550 °С (в эвтектоидной стали время его устойчивости составляет примерно 1,5 с).

Как выше, так и ниже этой температуры, устойчивость аустенита увеличивается. Наличие минимума устойчиво­сти аустенита объясняется тем, что уменьшение скорости диффузии железа при понижении температуры, компен­сируется увеличением вероятности образования зароды­ша феррита именно при температуре 550°С. При переохлаждениях ниже 550 °С скорость превращения А ® П уменьшается из-за уменьшения скорости роста зароды­шей феррита до критического размера.

В зависимости от величины переохлаждения на ука­занных диаграммах, различают область перлитного пре­вращения (от A_С1 до 550° С) и бейнитного (от 550 °С до точки М_н) или промежуточного превращения.

Промежу­точным оно называется потому, что обладает как чер­тами диффузионного перлитного превращения, так и не­которыми чертами бездиффузионного мартенситного превращения.

Различают структуру верхнего бейнита, который об­разуется при температурах близких к 550 °С и нижнего бейнита, образующегося при температурах близких к М_н. Структура верхнего бейнита (рис. 73, а) похожа на перлитную, т. к. она, как можно видеть при больших увеличениях, - пластинчатая, а структура нижнего бейнита (рис. 73, б), как правило, - игольчатая.

Кинетика перлитного превращения зависит, прежде всего, от химического состава сталей. В углеродистых сталях наиболее устойчивым, характеризующимся самым большим инкубационным периодом, является аустенит эвтектоидного состава. При отклонении содержания уг­лерода от эвтектоидного, инкубационный период умень­шается.

Легирующие элементы оказывают сильное влияние на устойчивость аустенита и кинетику перлитного пре­вращения.

Рис. 73. Микроструктуры бейнита:

а - верхнего (среднеуглеродистая сталь с 0,6% С); б - нижнего бейнита – игольчатого

(сталь с 0,54 %С, 1,2 % Сr, 0,48 % Мо, 4,12% Ni 0,82 % W)

Рис. 74. Диаграмма изотермического превращения аустенита в стали 12ХН3А

Такие элементы как хром, никель и особенно молиб­ден повышают устойчивость аустенита, кобальт же на­оборот, сильно понижает. Ес­ли в состав аустенита входят карбидообразующие легиру­ющие элементы или крем­ний, на диаграмме изотермического превращения аустенита может быть два минимума устойчивости аустенита, соответствующих пер­литному и бейнитному (промежуточному) превращениям (рис. 74).

Эти две области разделены областью относительной ус­тойчивости аустенита. Бейнитное превращение в легиро­ванных сталях имеет особенности по сравнению с углеро­дистыми сталями. В легированных сталях бейнитное пре­вращение протекает не до конца. Часть аустенита, по-видимому, более легированная хромом, при изотермиче­ской выдержке не распадается, а при дальнейшем пони­жении температуры может лишь частично превращаться в мартенсит либо вообще не претерпевать превращения.

Легированная сталь в результате бейнитного превраще­ния имеет структуру, состоящую из некоторого количест­ва мартенсита и доли нераспавшегося аустенита.

Если сталь легирована несколькими элементами, то они могут по-разному действовать на устойчивость аусте­нита в перлитной и бейнитной областях. Так, в низкоуглеродистых сталях с повышенным содержанием никеля, молибдена и вольфрама, превращение в перлитной обла­сти протекает настолько медленно, что экспериментально даже не фиксируется, и на диаграмме существуют лишь линии, соответствующие бейнитному превращению. В других же сталях, например, содержащих 0,4 % С и 10…12 % Сr, в перлитной области скорость превра­щения велика, а в бейнитной ее зафиксировать не уда­ется.

Легирующие элементы влияют и на степень дисперс­ности перлита. Так, кобальт уменьшает размеры пластин, а марганец и молибден - увеличивают. Причем, если в легированных сталях содержатся ярко выраженные карбидообразующие элементы (Ti, V, Nb и др.), то вме­сто цементита часто образуются пластины специальных карбидов (M₇С₃, M₂₃С₆).

В этом случае при одинаковых переохлаждениях пластинки специальных карбидов мень­ше, чем пластины цементита.

Влияние легирующих элементов на кинетику перлит­ного превращения связано с тем, что они замедляя диф­фузию (предельно на 2…3 порядка), прежде всего, позво­ляют значительно увеличить степень переохлаждения аустенита, т. е. понизить температуру превращения А ® П. Кроме того, они снижают не только скорость превращения, но и скорость образования карби­дов.