Перлитное превращение
Основное превращение, протекающее во время охлаждения при отжиге стали, — это эвтектоидный распад аустенита на смесь феррита с карбидом. Кинетика эвтектоидного превращения изображается С-образными кривыми на диаграмме изотермического превращения аустенита.
Диаграмма изотермического распада аустенита
Диаграмма изотермического распада аустенита в эвтектоидной стали:
А — устойчивый аустенит: Ап — переохлажденный аустенит;
Ф — феррит;
К — карбид.
С-диаграмма строится следующим образом. Тонкие образцы стали, содержащей 0,8% С, нагревают до полной аустенитизации при температуре выше точки А1 и затем быстро переносят в термостат (соляную ванну) с температурой ниже этой точки. Начало и конец распада аустенита при данной температуре можно определить несколькими методами.
Микроструктурный анализ — самый простой, вместе с тем надежный, но и весьма трудоемкий метод. Образцы после различного времени выдержки в термостате закаливают в воде. Изотермически нераспавшийся аустенит превращается в мартенсит, который хорошо отличается под микроскопом от продуктов распада аустенита.
При эвтектоидном превращении аустенита увеличивается удельный объем, падает электросопротивление и сталь переходит из парамагнитного в ферромагнитное состояние. На исследовании изменений этих физических свойств основаны соответственно дилатометрический, электрический и магнитный методы определения времени начала и конца превращения.
Магнитометрический метод позволяет количественно определять степень превращения аустенита в любой момент изотермической выдержки, так как интенсивность намагничения образца пропорциональна количеству ферромагнитной альфа-фазы (аустенит парамагнитен).
При температуре 727 °С (точка А1) аустенит находится в термодинамически устойчивом равновесии со смесью феррита и цементита. Чтобы начался распад аустенита, необходимо его переохладить ниже 727 °С.
Устойчивость переохлажденного аустенита характеризуется инкубационным периодом, т. е. отрезком времени (от оси ординат до левой С-кривой), в течение которого обычные методы не фиксируют появление продуктов распада.
В эвтектоидной стали при температурах около 550 °C переохлажденный аустенит наименее устойчив. Как раз при этих же температурах обнаружены максимумы скорости зарождения и скорости роста эвтектоида (смотрите рисунок Зависимость скорости зарождения центров и линейной скорости).
Образование колоний эвтектоида в одном зерне аустенита
Схема
В эвтектоидной смеси феррита с цементитом перлит растет из отдельных центров в виде колоний. Зародышем перлитной колонии может быть или цементит, или феррит. Чаще считают, что им является цементит.
В гомогенном аустените цементитный зародыш появляется в обогащенном углеродом участке флуктуационного происхождения. Зарождение облегчено на границе аустенитных зерен, так как здесь меньше работа образования критического зародыша.
При утолщении цементитной пластины вблизи нее аустенит обедняется углеродом и создаются условия для зарождения путем полиморфного γ → α-превращения ферритных пластин, примыкающих к цементитной.
Схема зарождения и роста двух перлитных колоний
Мэйл и Хэгедь.
При утолщении же ферритной пластины, практически не содержащей углерода, он оттесняется в аустенит, в результате чего создаются благоприятные условия для появления новых цементитных пластин и т. д.
При боковом росте колонии перлита в принципе могут многократно зарождаться на подкладке попеременно пластины феррита и цементита, а также ответвляться новые пластины от ранее образовавшихся пластин своей фазы.
Строение перлита около границы колонии (Даркен)
На шлифе цементит в перлитной колонии выглядит как совокупность изолированных пластин без перемычек, но по такой плоской картине нельзя сделать однозначного вывода об отсутствии пространственного каркаса из цементита. Экспериментально надежно доказано, что эвтектическая колония чаще всего является бикристаллом из взаимопереплетающихся дендритов двух фаз, хотя на шлифе одна из фаз эвтектики может выглядеть как изолированные включения в матрице.
Судя по ряду данных, в эвтектоидной колонии (перлите) каждая из фаз также непрерывна и, следовательно, при боковом росте колонии фазы разветвляются, а не многократно зарождаются.
Если от колонии ответвляется (или на ее поверхности зарождается) пластина с другой ориентацией, то она служит зародышем для новой перлитной колонии.
Кроме бокового, идет торцовый рост пластин феррита и цементита. Перед торцами пластин феррита и цементита концентрация углерода в аустените соответственно повышена и понижена, т. е. существуют градиенты концентрации перпендикулярно и параллельно фронту превращения (при росте одной фазы градиент концентраций только перпендикулярен фронту превращения).
Рост перлитной колонии контролируется диффузионным перераспределением углерода параллельно фронту превращения в объеме аустенита и прямо по границе перлитной колонии.
Кооперативный рост двухфазной колонии путем диффузионного перераспределения компонентов — наиболее характерная особенность перлитного превращения.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков