Процессы вторичной кристаллизации стали

Если бы железо не испытывало структурных превращений в твердом состоянии, то диаграмма состояния железоуглеродис­тых сплавов при всех температурах ниже 1147 °С (вплоть до ком­натной) была бы одинаковой, линия AECF). Однако железо подвержено аллотропическим превращениям, поэтому эти сплавы не сохраняют своей первичной структуры.

Рассмотрим процессы вторичной кристаллизации сталей. Вы­делим левую часть диаграммы, охватывающую про­цессы вторичной кристаллизации стали.

Первичная структура стали, включа­ет зерна аустенита. Она сохраняется до линии GSE. Указанная линия соответствует температурам, при кото­рых начинается вторичная кристаллизация сталей различного со­става. Линия PSK характеризует температуру, при которой за­вершаются процессы вторичной кристаллизации эта температура равна 727 °С. При температурах ниже 727 °С превращений в сталях не наблюдается, структура, полученная при 727 °С, сохраняется при дальнейшем охлаждении сплава (вплоть до комнатной тем­пературы). Линия PSK называется эвтектоидной. Точка S диаг­раммы соответствует составу эвтектоида — перлиту. Какие струк­турные превращения претерпевает сталь при твердом состоянии? Начнем изучение этих превращений с линии GS. Точка G соответствует превращениям, происходящим в чистом железе при 911 °С. При этой температуре γ-железо переходит в а-железо. У сталей этот процесс также про­исходит, но ввиду того, что в решетке γ-железа имеется то или иное количество углерода, он протекает при более низких темпе­ратурах, чем у чистого железа.

Переход γ -железа в а-железо у сталей проиходит не при постоянной, а в интервале температур (между линиями GSE и PSK). Линия GS для сталей, содержащих до 0,8 % углерода, соответствует тем­пературам, при которых начинается выделение феррита из аусте­нита (так как сталь содержит не чистое γ -железо, а твердый ра­створ углерода в γ -железе, т. е. аустенит).

Вторичная крис­таллизация стали с 0,6 % углерода сохраняет первичную структуру аустенита до температуры 775 °С. При этой температуре начинается ее аллотропическое превращение, т. е. выделение феррита из аустенита. Так как в феррите содер­жится ничтожное количество углерода, оставшийся аустенит бу­дет постепенно, по мере выделения феррита обогащаться углеро­дом. Когда концентрация углерода в оставшемся аустените дос­тигнет 0,8 % при 727 °С, произойдет распад аустенита на равномер­ную механическую смесь феррита и цементита, которая называется перлитом. Таким образом, в интервале температур от 775 до 727 °С сталь, содержащая 0,6 % углерода, будет иметь в своем составе феррит и аустенит, а при температурах ниже 727 °С — феррит и пер­лит.

Рисунок 4.3 - Область сталей в диаграмме состояния сплавов Fe—F₃C

Структура феррит—перлит сохранится без значительных из­менений и при дальнейшем охлаждении стали вплоть до комнат­ной температуры. Аналогичные превращения характерны для всех доэвтектоидных сталей (содержащих менее 0,8 % углерода). Раз­ница будет лишь в температурах начала выделения феррита.

Если сталь содержит 0,8 % углерода, ее вторичная кристаллиза­ция будет протекать при постоянной температуре (727 °С) и сопро­вождаться только одним процессом — образованием перлита, т.к. содержание углерода в ста­ли соответствует эвтектоидному составу. Вторичня кристаллиза­ция стали, содержащей более 0,8 % углерода, характеризуется линиями SE и SK. Точка Е указывает на максимальное количество углерода, которое может быть растворено в аустени­те, а точка S — на количество углерода, которое может быть рас­творено в аустените при 727 °С. Линия ES соответствует предель­ной растворимости углерода в аустените при различных темпера­турах. На линии SK заканчивается вторичная кристаллизация сталей, имеющих в своем составе более 0,8 % углерода, с образо­ванием перлита (в результате распада аустенита).

Вторичная кристаллизации стали с 1,2 % углерода. Она сохраняет первичную структуру аустенита при охлаждении до 870 °С. При более низкой температуре, аустенит не способен растворить 1,2 % углерода, поэтому при дальнейшем охлаждении сплава из кристаллической решетки аустенита будет выделяться избыточный углерод в виде цементита.

доэвтеклидные (а—г): а — 0,05 (светлое — феррит, темное — перлит); б — 0,25 (феррит + перлит); в — 0,5 (феррит+ пер­лит); г — 0,7 (перлит + ферритная сетка); эвтектоидная (д) — 0,8 (пластинчатый перлит); заэвтектоидная (е) — 1,2 (перлит + цементитная сетка)

Рисунок 4.4 - Микроструктуры сталей с различным содержанием угле­рода (%)

Этот цементит образуется в результате вторичной кристаллизации, его называ­ют вторичным и обозначают Fe₃C₁₁. Вследствие вы­деления цементита содержание углерода в оставшемся аустените будет непрерывно снижаться и при температуре 727 °С достигнет 0,8 %. При этой температуре аустенит превратится в перлит. На этом вторичная кристаллизации закончится. Таким образом, рассматриваемая сталь в интервале температур от 870 до 727 °С имеет структуру аустенита и вторичного цементита, а при темпе­ратурах ниже 727 °С состоит из вторичного цементита и перлита. Аналогичные превращения в твердом состоянии испытывают все заэвтектоидные стали, т. е. стали, содержащие более 0,8 % угле­рода, разница между ними лишь в температурах начала выде­ления вторичного цементита.

В структуру доэвтектоидных сталей при комнатной темпера­туре входят феррит и перлит. Чем больше в них углерода, тем больше будет перлита и меньше феррита. Эвтектоидная сталь со­держит только перлит. Структура заэвтектоидных сталей при ком­натной температуре перлитоцементитная. С увеличением в этих сталях углерода растет количество цементита и уменьшается ко­личество перлита.