Аустенит является устойчивым только при температурах выше Ас1. При охлаждении стали ниже критических температур аустенит становится неустойчивым и начинается превращение аустенита в перлит (перлитное превращение). Рассмотрим это превращение на примере эвтектоидной стали.
Чем ниже температура превращения, тем больше степень переохлаждения аустенита и тем быстрее будет происходить превращение аустенита в перлит.
С другой стороны такое превращение носит диффузионный характер и связано с перераспределением углерода, причем чем ниже температура, тем медленнее идет процесс диффузии. Такое противоположное действие обоих факторов (переохлаждения аустенита и диффузии углерода) приводит к тому, что с понижением температуры скорость превращения возрастает, достигает максимума, а затем скорость превращения убывает.
Перлит растет из отдельных центров в виде пластин (рис.9.3). Зародышем перлитных пластин обычно является цементит (рис.9.3, а), зарождение которого облегчено на границе аустенитных зерен. При утолщении цементитной пластины вблизи нее аустенит обедняется углеродом и создаются условия для зарождения путем полиморфного γ → α превращения ферритных пластин, примыкающих к цементитной пластине (рис.9.3,б).
При утолщении же ферритной пластины (малое содержание углерода) он оттесняется в аустенит, в результате чего создаются благоприятные условия для появления новых цементитных пластин. Кроме бокового (рис..9.3,а, б, в) при превращении А → П имеет место и торцевой рост пластин феррита и цементита (рис.9.3,г, д).
| а | б | в | ||
| ||||
| г | д | |||
| ||||
Рис. 9.3. Схема зарождения и роста перлитных колоний.
В зависимости от степени переохлаждения аустенита образуются разные структуры феррито-цементитной смеси. Рассмотрим структуры, образующиеся при диффузионном превращении аустенита.
При температуре 650-700 °С образуется собственно перлит. При перлитном превращении ведущей фазой является цементит. В результате образования пластинок цементита соседние участки аустенита обедняются углеродом, что в свою очередь приводит к образованию пластинок феррита.
При увеличении переохлаждения увеличивается количество зародышей новой фазы. Естественно, что с ростом числа чередующихся пластин феррита и цементита уменьшаются их размеры и расстояния между ними (рис.9.4). Другими словами, с понижением температуры растет дисперсность (степень измельчения) продуктов распада аустенита. Под степенью дисперсности понимают расстояние между соседними пластинками феррита и цементита. При температуре 600-650 °С образуется структура сорбит, а при 550-600 °С - тростит.
Рис. 9.4. Схемы феррито-цементитных структур:
а - перлит; б - сорбит; в - тростит
Перлит, сорбит, тростит являются структурами одной природы - механической смесью феррита и цементита и отличаются друг от друга лишь степенью дисперсности. С увеличением степени дисперсности пластин цементита растет твердость и прочность стали. Перлит, сорбит и троститназывают перлитными структурами.
Перлитное превращение с образованием структур перлита, сорбита и троостита носит диффузионный характер и происходит в сталях при невысоких скоростях охлаждения.
Если скорость охлаждения велика, то диффузионное перераспределение углерода невозможно и процесс превращения аустенита носит бездиффузионный характер. При этом меняется только тип решетки γ на α, а весь углерод, содержащийся в аустените, остается в решетке феррита, несмотря на то, что в феррите при комнатной температуре может содержаться только 0,006% С. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в α – железе. Такая структура называется мартенсит.
Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α – железе.
Мартенсит имеет тетрагональную искаженную кристаллическую решетку с большим количеством атомов углерода. Соотношение параметров решетки с/а > 1.
Отношение с/а называется степенью тетрагональности мартенсита. Чем больше углерода, тем выше степень тетрагональности.
Мартенсит имеет очень высокую твердость и одновременно высокую хрупкость. Высокая твердость мартенсита обусловлена искажениями кристаллической решетки и большими внутренними напряжениями.
Мартенсит имеет игольчатое строение. Образуется мартенсит из аустенита при охлаждении в результате мартенситного превращения в интервале температур Мн и Мк.
Мн - температура начала мартенситного превращения
Мк.- температура конца мартенситного превращения
Третий тип превращения аустенита – промежуточное превращение, которое происходит при скоростях охлаждения больше, чем скорости перлитного превращения и меньше, чем скорость мартенситного превращения. Такое превращение называется бейнитным превращением.
В результате бейнитного превращения образуется структура бейнит.
Бейнит имеет природу перлита, так как является феррито – цементитной смесью, но высокодисперсной и имеет строение мартенсита – игольчатое.
Таким образом, аустенит при охлаждении может претерпевать три типа превращений:
1. Перлитное превращение – диффузионное превращение, образуются структуры перлит, сорбит, тростит.
2. Промежуточное превращение – образуется структура бейнит.
3. Мартенситное превращение – бездиффузионное превращение, образуется структура мартенсит.
Общий вид превращения аустенита при охлаждении изображается С‑образными кривыми на диаграмме изотермическогопревращения аустенита.
На рис.9.5 приведена диаграмма изотермического превращения аустенита для эвтектоидной стали (0,8 % С). Горизонтальные линии М н и М к показывают температуры начала и конца бездиффузионного мартенситного превращения.
Рис. 9.5 Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали
На диаграмме можно выделить следующие области: 1) область устойчивого аустенита (для стали, содержащей 0,8 % С, выше А с1); 2) область переохлажденного аустенита; 3) область начавшегося, но еще не закончившегося превращения А → (Ф+Ц); 4) область закончившегося превращения; 5) область начавшегося, но еще не закончившегося мартенситного превращения (между М н и М к); 6) мартенситная область (ниже М к).
Область, расположенная слева от кривой начала распада аустенита (область переохлажденного аустенита), определяет продолжительность инкубационного периода, характеризующую устойчивость переохлажденного аустенита. С увеличением переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума (для эвтектоидной стали около 550 °С), и далее вновь возрастает.
В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области превращения: перлитную (переохлаждение до 500 °С), мартенситную (переохлаждение ниже Мн - для эвтектоидной стали ниже температуры 240 °С) и промежуточного (бейнитного) превращения (переохлаждение для эвтектоидной стали в интервале от 500 до 240 °С).
Скорости охлаждения на С – образной кривой показывают, какую структуру можно получить после охлаждения. Так, при охлаждении со скоростью V1 образуется структура мартенсита. В этом случае скорость охлаждения велика и проходит мартенситное превращение. При скоростях охлаждения V2 и V3 проходит диффузионное перлитное превращение и образуются структуры сорбита и тростита.
Касательная к С – образной кривой является минимальной скоростью охлаждения, при которой из аустенита образуется мартенсит. Такая скорость охлаждения называется критической скоростью закалки.