Железоуглеродистые сплавы

Диаграмма железо-углерод описывает превращения, происходящие при разных температурах с железоуглеродистыми сплавами. При этом существенный практический интерес имеет эвтектоидное превращение, то есть образование и распад аустенита. Начало перлито-аустенитного превращения сопровождается образованием первых зерен аустенита. Первые зерна аустенита образуются на границе между ферритом и цементитом - структурными составляющими перлита. Так как эта граница весьма разветвлена, то превращение начинается с образования множества мелких зерен. Следовательно, по окончании превращения образуется большое количество малых аустенитных зерен. Размер этих зерен характеризует так называемую величину начального зерна аустенита. В 1 см³ перлита площадь границы между ферритом и цементитом составляет несколько квадратных метров. Дальнейший нагрев (или выдержка) по окончании превращения вызывает рост аустенитных зерен. Рост зерна, - самопроизвольно протекающий процесс, так как при этом уменьшается суммарная поверхность зерен (уменьшается поверхностная энергия), высокая температура обеспечивает лишь достаточную его скорость. Различают два типа сталей: наследственно мелкозернистую и наследственно крупнозернистую; первая характеризуется малой склонностью к росту зерна, вторая - повышенной склонностью. Переход через критическую точку 727°С сопровождается резким уменьшением зерна. При дальнейшем нагреве зерно аустенита в мелкозернистой стали не растет до 950 - 1000°С, после чего устраняются факторы, препятствующие росту, и зерно начинает быстро расти. У крупнозернистой стали, ничто не препятствует росту зерна, который начинается вскоре после перехода через критическую точку. Под наследственной зернистостью следует подразумевать склонность аустенитного зерна к росту. Размер зерна, полученный в стали в результате той или иной термической обработки, - это так называемое действительное зерно. Таким образом, различают:

1) начальное зерно — размер зерна аустенита в момент окончания перлито-аустенитного превращения;
2) наследственное (природное) зерно — склонность аустенитных зерен к росту;
3) действительное зерно — размер зерна аустенита в данных конкретных условиях.

На свойства стали влияет только действительный размер зерна, наследственный размер зерна влияния не оказывает. Если у двух сталей одной марки (одна наследственно крупнозернистая, другая наследственно мелкозернистая) при различных температурах термических обработок будет получен одинаковый действительный размер зерна, то свойства их будут одинаковыми. Наследственно мелкозернистая сталь не склонна к перегреву, т. е. интенсивный рост зерен начинается при значительно более высокой температуре, чем у наследственно крупнозернистой. Поэтому интервал температур закалки у наследственно мелкозернистых сталей значительно шире, чем у наследственно крупнозернистых.

Наследственно мелкозернистую сталь можно прокатывать (ковать) при более высоких температурах и заканчивать прокатку (ковку) при более высокой температуре, не опасаясь получения при этом крупнозернистой структуры. Как правило, все спокойные марки стали изготавливают наследственно мелкозернистыми, а кипящие стали - наследственно крупнозернистыми. Сдерживание роста зерна в наследственно мелкозернистой стали вызвано расположением по границам зерен нитридов и окислов алюминия, которым раскисляют спокойную сталь. После 1000°С нитриды и окислы растворяются, устраняется барьер, препятствующий росту зерна и начинается интенсивный его рост.

Превращение аустенита в перлит заключается в распаде аустенита - твердого раствора углерода в γ-железе, на почти чистое α-железо и цементит:

Превращение может начаться не в точке 727°С, а при некотором переохлаждении, когда свободная энергия ферритокарбидной смеси (перлита) окажется меньшей, чем свободная энергия аустенита Чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение, тем больше разность свободных энергий, тем быстрее происходит превращение. В случае перлитного превращения образуются фазы, резко отличающиеся по составу от исходной: феррит, почти не содержащий углерода, и цементит, содержащий 6,67% С. Поэтому превращение аустенит-перлит сопровождается диффузией, перераспределением углерода. Скорость диффузии резко уменьшается с понижением температуры, следовательно, с этой точки зрения увеличение переохлаждения должно замедлять превращения. Суммарное действие обоих факторов приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигает при каком-то значении переохлаждения максимума и затем убывает При 727°С и ниже 200°С скорость превращения равна нулю, так как при 727°С равна нулю разность свободных энергий, а при 200°С равна нулю (точнее, недостаточна) скорость диффузии углерода. В процессе аустенито-перлитного превращения ведущей, в первую очередь возникающей, фазой является карбид (цементит). Его зародыши, как правило, образуются на границах зерен аустенита. В результате роста частиц карбида прилегающий к нему объем аустенита обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфное превращение. При этом кристаллики феррита зарождаются на границе с цементитом, который облегчает этот процесс. Дальнейший рост ферритных пластинок ведет к обогащению окружающего аустенита углеродом, что затрудняет дальнейшее развитие превращения. В обогащенном таким образом углеродом аустените зарождаются новые и растут ранее возникшие пластинки цементита. В результате происходит колониальный (совместный) рост кристалликов феррита и цементита, образующих перлитную колонию - продукты перлитного превращения имеют пластинчатое строение. Чем больше переохлаждение, тем тоньше получающаяся феррито-цементитная структура, т. е. меньше величина межпластиночного расстояния, равного усредненной сумме толщин двух пластинок феррита и цементита и выше твердость Пластинчатые структуры эвтектоидного типа часто определяют как перлит, сорбит и троостит или соответственно грубо-, средне- и тонко дифференцированный перлит. Надо, однако, учитывать, что разделение феррито-цементитной структуры на перлит, сорбит и троостит условно и между этими, структурами нет четкой границы. Перлит, сорбит и троостит, образующиеся при диффузионном распаде переохлажденного аустенита, являются феррито-цементитньми структурами, имеющими пластинчатое строение, и различающиеся лишь степенью дисперсности.

Процессы распада аустенита при определенных переохлаждениях достаточно наглядно описываются диаграммами изотермического превращения аустенита (С-образные диаграммы), которые строятся на основании термокинетических кривых распада (см. рисунок слева).

Как видно из рисунка при небольших переохлаждениях имеем продукты диффузионного распада аустенита: перлит, сорбит, троостит. При процессах, протекающих в условиях отсутствия диффузии (менее 250 - 200°С) получаем продукт бездиффузионного распада -мартенсит. Мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α-железе. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в α -железе - при 20°С не превышает 0,002%, то его содержание в мартенсите может быть таким же, как в исходном аустените, т. е. может достигнуть в пределе 0,8%. Мартенсит имеет тетрагональную решетку, в которой один период - с больше другого - а. При увеличении содержания углерода высота тетрагональной призмы с увеличивается, а размеры ее основания а уменьшаются. Следовательно, чем больше в мартенсите углерода, тем больше отношение с/а, т. е. больше тетрагональность решетки. Отношение с/а=1+0,046С, где С - концентрация углерода в мартенсите. Мартенситное превращение происходит только в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлажден до низких температур, когда диффузионные процессы становятся невозможными, осуществляется путем сдвига и не сопровождается изменением состава твердого раствора. Отдельные атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные, сохраняя взаимное соседство, однако величина абсолютного смещения растет пропорционально удалению от межфазной границы. Кристаллы мартенсита, вероятно, зарождаются в дефектных участках, где имеются дислокационные узлы. Пока на границе мартенсита и аустенита существует сопряжённость решеток (когерентность), скорость образования и роста кристаллов мартенсита очень велика - 103 м/с. Поскольку при мартенситном превращении тепловое движение атомов не играет существенной роли, оно происходит с большой скоростью даже при температурах, близких к абсолютному нулю. В процессе роста мартенситного кристалла вследствие разности удельных объемов аустенита и мартенсита увеличиваются упругие напряжения в области когерентного сопряжения, что, в конечном счете, приводит к пластической деформации и образованию межфазной границы с неупорядоченным расположением атомов. Кристаллы мартенсита ориентационно связаны с решеткой аустенита, поэтому скорость их роста в разных кристаллографических направлениях неодинакова. Обычно различают два типа мартенсита - пластинчатый и реечный. Пластинчатый мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях, характеризующихся низкой температурой мартенситной точки. В этом случае кристаллы мартенсита состоят в средней своей части из большого числа микродвойников. Размеры кристаллов любой морфологии мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита. Они тем крупнее, чем больше зерно аустенита. Первая пластина мартенсита имеет протяженность, соответствующую поперечному размеру зерна аустенита. Образующиеся при более низких температурах кристаллы стеснены в своем развитии и имеют меньшие размеры. Наиболее часто (конструкционные углеродистые и легированные стали и т. д.) кристаллы мартенсита имеют форму тонких реек (реечный мартенсит), вытянутых в одном направлении Чаще образуется и наблюдается пакет из реек. Такой мартенсит называют массивным, в отличие от игольчатого. Субструктура такого мартенсита сложная и отличается большой плотностью дислокации. Каждая мартенситная пластинка представляет собой монокристалл. Превращение начинается сразу при температуре Мн и протекает не в изотермических условиях, а в интервале температур. При переохлаждении до температуры, соответствующей точке Мн, аустенит начинает превращаться в мартенсит. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже температуры Мн. Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение практически также останавливается. Чем ниже температура, тем больше образуется мартенсита. Количество мартенсита при этом возрастает в результате образования все новых и новых кристаллов, а не вследствие роста уже возникших кристаллов. По достижении определенной для каждой стали температуры превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эту температуру окончания мартенситного превращения и обозначают Мк. Положение точек Мн и Мк не зависит от скорости охлаждения и обусловлено химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже температура точек Мн и Мк). Все легирующие элементы, за исключением кобальта и алюминия, понижают точки Мн и Мк Мартенсит вследствие больших искажений кристаллической решетки структура высокой твердости (> 60 HRC) и почти нулевой пластичности. Различие удельных объёмов исходного аустенита и мартенсита вызывает образование больших внутренних напряжений (напряжения II рода), которые могут привести к образованию трещин или разрушению изделия.

Промежуточная структура, образующаяся в диапазоне 500 - 250°С называется бейнитом и представляет собой механическую смесь пересыщенного раствора углерода в α-железе и карбидных включений.

Практический интерес представляют диаграммы анизотермического превращения, то есть превращения протекающего при непрерывном охлаждении. При этом на диаграмму наносится кривая скорости охлаждения и в зависимости от величины скорости охлаждения (угол наклона кривой скорости) получаем те или иные структуры (см. рисунок выше) Скорость охлаждения, описываемая кривой касательной к кривой начала превращения называется критической скоростью охлаждения. Если реальная скорость больше критической скорости, то получаем бездиффузионное мартенситное превращение, то есть структуру закалки. Естественно, чем больше устойчивость аустенита (больше величина инкубационного периода), тем правее будут сдвинуты С-образные диаграммы и тем меньше будет Vкр. Углерод, а также все легирующие элементы (кроме кобальта) увеличивают устойчивость аустенита и тем самым снижают критическую скорость охлаждения.

Легированные стали по количеству легирующих элементов подразделяются на низколегированные (одного элемента менее 2% или сумма менее 5%), среднелегированные (одного элемента от 2 до 5% или сумма менее 10%) и высоколегированные (одного элемента от 5 до 10% или сумма более 10%). Поэтому средне и высокоуглеродистые или легированные стали более склоны к образованию мартенситной структуры, чем малоуглеродистая сталь, или низколегированные.