2. Фазовые превращения в углеродистых сталях

Фазовое сос*ояние железоуглеродистых сплавов в зависимости от состава и температуры описывается диаграммами стабильного (Fe-С) и метастабильного (Fe- РезС) равновесия, которые позволяют определять температурные интервалы деформации, литья и ряда процессов термической обработки. При стабильном равновесии равновесной высокоуглеродистой фазой яв-

его растворимость в а- и б-железе. Этот избыточный углерод образует с железом метастабильную фазу - карбид железа РезС, называемый цементитом. Цементит имеет отличную от твердых растворов железа орторомбическую кристаллическую решетку.

Ряд линий диаграммы равновесия отображает такие температурные и концентрационные условия, при которых в равновесии находятся три фазы. Так, по линии Н1В при перитектической температуре равновес-

J0 20, 30 ио 60 Феррит + цементит (третишш)

Рис. III.6. Диаграмма фазового равновесия

до 100 РезС,%

ляется графит, а при метастабильном - цементит. Фазовый состав сталей характеризует диаграмма Ре-РезС, показанная на рис. П1.6.

При содержании до 6,67% углерод неограниченно растворим в железе в жидком состоянии. В твердом состоянии растворимость углерода определяется кристаллическим строением модификаций железа. В гра-нецентрированной кубической решетке Y-железа растворимость углерода достигает наибольшего значения, равного 2,14%; твердый раствор углерода в Y-железе называют аустенитом. Максимальная растворимость углерода в а-жедезе составляет 0,03%, а в 6-железе -до 0,1%; твердый раствор углерода в объемноцентрированной кубической решетке железа называется ферритом. Соответственно различают а-феррит (или просто феррит) и б-феррит. На диаграммах фазового равновесия однофазные области аустенита, феррита и б-феррита ограничены линиями NIESG, GPQ и AHN.

Содержание углерода в применяемых в промышленности сталях обычно превышает

ное состояние сплавов будет определяться наличием трех фаз: б-феррита, аустенита и жидкости. Сплавы на линии ECF, отвечающей эвтектической температуре, состоят из жидкости, аустенита и цементита. Сплавы, лежащие на линии PSK, отвечающей эвтек-тоидной температуре, состоят из аустенита, феррита и цементита.

При температурах 768 и 210° С наблюдается магнитное превращение феррита и цементита. Ниже 768° С феррит обладает ферромагнитными свойствами; выше этой температуры он парамагнитен. Аналогичные процессы происходят в цементите при нагреве его выше 210° С - он переходит из ферромагнитного в парамагнитное состояние. Таким образом, температуры 768 и 210° С являются точками Кюри соответственно феррита и цементита.

Кристаллизация сплавов, содержащих менее 0,5% С, начинается при охлаждении до температур, соответствующих линии АВ. Сплавц, содержащие менее 0,1% С, кристаллизуются с образованием б-твердого раствора. При кристаллизации сплавов, со-

держащих от 0,1 до 0,5% С, вначале также образуется б-твердый раствор, однако в процессе дальнейшего охлаждения при пе-ритектичесКой температуре (на линии HIB) происходит реакция взаимодействия жидкости (расплава) и кристаллов б-твердого раствора, приводящая к образованию Y-твердого растврра (аустенита). В результате закончившейся кристаллизации сплавы приобретают однофазную структуру Y-твер-дого раствора.

Стали, содержащие от 0,5 до 2% С, сразу начинают кристаллизоваться с образованием Y-твердого раствора; температуры начала кристаллизации сталей разного состава определяются участком кривой ВС, температуры конца кристаллизации - участком кривой IE,

Явление полиморфизма железа определяет характер дальнейших превращений при охлаждении стали от аустенитного состояния. Перестройка гранецентрированной кубической решетки Y-железа в объемноцентри-рованную кубическую решетку а-железа вызывает превращение аустенита в феррит, наблюдаемое в процессе охлаждения стали различных марок. Температура полиморфного превращения Yct-решеток для безуглеродистого чистого железа составляет 911° С; по мере увеличения содержания углерода до 0,8% температура начала превращения аустенита в феррит непрерывно снижается, достигая при 0,8% наименьшего значения, равного 727° С.

Внедрение углерода в кристаллическую решетку железа приводит к появлению температурного интервала полиморфного превращения аустенита в феррит. Если в чистом железе имелась одна критическая точка превращения Ya-решеток (Лз), то при добавлении к железу углерода критическая точка Лз соответствует температуре, при которой начинается превращение аустенита в феррит. По достижении критической точки Al это превращение заканчивается и происходит эвтектоидная реакция. По мере увеличения содержания углерода в стали точка Лз непрерывно снижается; положение точки Al (727° С) не зависит от содержания углерода в стали. При содержании в стали 0,8% С обе критические точки сливаются; при дальнейшем увеличении количества углерода в стали они сохраняют значение 727° С.

Изменение кристаллической решетки железа (при переходе от аустенита к ферриту) приводит к резкому уменьшению растворимости углерода -от 0,8 до 0,03%. Поэтому появляется избыточный углерод, который не может быть растворен в феррите. Этот углерод, выделяясь из кристаллической решетки железа диффузионным путем, образует карбид железа (цементит РезС). Таким образом, аустенит в стали при охлаждении превращается в феррит и цементит. Относительное количество продуктов превращения зависит от содержания углерода в стали; естественно, чем больше углерода в аустените, тем больше цементита должно быть в этой смеси.

В эвтектоидной стали (0,8% С) превращение аустенита протекает в нонвариантных

условиях равновесия в сплаве; это означает, 4to при незначительных переохлаждениях относительно эвтектоидной температуры превращение аустенита связано с практически одновременным образованием частиц феррита и цементита. В результате этога кристаллики феррита и цементита образуют механическую смесь, называемую перлитом.

Кинетика процесса превращения аустенита существенно зависит от скорости охлаждения. Если скорости охлаждения больше, чем предусмотренные равновесной диаграммой состояния, то наблюдается явление переохлаждения в твердом состоянии, состоящее в том, что металлы и сплавы, имеющие полиморфные превращения, сохраняют при охлаждении ниже критической точки фазы характерные для температур выше критической. Применительно к стали это означает, что при определенной скорости охлаждения можно в течение известного времени сохранять аустенит в структуре стали при температуре ниже Ai (727°С). Такимобра-зом, переохлаждение стали в твердом состоянии связано со сдвигом температуры полиморфного превращения, указанной на диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов, вниз по температурной шкале Наблюдается явление гистерезиса критических точек.

При достаточно большой скорости охлаждения переохлаждение аустенита достигает значительной величины, в результате чего полиморфное превращение протекает при низких температурах, затрудняющих протекание диффузионных процессов. Если эта температура достигает 200-250° С, диффузия углерода полностью затормозится; в объемноцентрированной кристаллической решетке окажется задержанным весь углерод, входящий в состав стали. Такое пересыщение феррита углеродом приводит к получению тетрагональной (вместо кубической) объемноцентрированной решетки. Чем больше в решетке углерода, тем выше степень ее тетрагональности. Образующаяся при этом структура стали (мартенсит), представляющая собой пересыщенный тетрагональный а-твердый раствор, является неравновесной, так как предельная растворимость углерода в а-жлезе оказывается превышенной.

Кинетика распада аустенита при различных степенях переохлаждения описывается с помощью диаграмм изотермического превращения аустенита (рис. III.7). Такие изотермические диаграммы строятся для каждой применяемой в промышленности стали.

Линия / отвечает условиям, определяющим начало превращения аустенита; левее этой линии аустенитная структура при заданных температурах и выдержках будет устойчива. Линия 2 отвечает условиям, при которых заканчивается процесс превращения аустенита в феррито-цементитную смесь. Чем ниже температура, при которой происходит превращение аустенита, тем выше степень дисперсности образующейся фер-рито-цементитной смеси; на изотермической диаграмме нанесены структуры, образующиеся в peзyльtaтe превращения аустенита

2 Таблица III 2

§ Строение и свойства основных фаз и структур железоуглеродистых сплавов