Сфероидизация и графитизация цементита в сталях

Перлитные и углеродистые стали в отожженном и нормализованном состояниях по своей структуре состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита. Механические свойства таких сталей достаточно высоки. Пластинчатый перлит является нестабильной структурой и при длительной работе в условиях повышенных температур регистрируется постепенное изменение его цементитной составляющей, заключающееся в дроблении пластинок в зерна шарообразной формы. Этот процесс называется сфероидизацией карбида железа (рис. 1.68). Освобождающиеся при разложении перлита пластинки феррита сливаются с подобными зернами. Нестабильность пластинчатого перлита обусловлена большим запасом свободной энергии структурообразующих единиц из-за их достаточно развитой поверхности. По законам физики наименьшей свободной энергией обладает шар. В связи с этим зерна металла стремятся принять форму сферы. Скорость диффузии углерода в феррите предопределяет интенсивность процесса сфероидизации, которая с повышением температуры и уменьшением размера зерна ускоряется. Предварительный наклеп, сопровождающийся искажением кристаллической решетки и усилением диффузионных превращений также способствует усиленному развитию данного процесса. Механические свойства сталей со сфероидизированным цементитом значительно снижаются. На основании этого при проектировании оборудования для энергоустановок необходимо выбирать сплавы такого состава, которые обеспечивали бы полное отсутствие или минимальное наличие данного нежелательного процесса.

Рис. 1.68 - Схема сфероидизации цементита в сталях при нагреве: 1 – начальная структура; 2 – дробление пластинок; 3 – начало образования зерен шарообразной формы и 4 – завершение сфероидизации

Углеродистые стали более подвержены сфероидизации. Легирование их молибденом (до 0,5 %) значительно замедляет данный процесс, но полностью остановить его не может. Наиболее устойчивыми к сфероидизации являются стали, в которые одновременно добавлены такие карбидообразующие элементы, как хром и ванадий.

Строение пластинчатого перлита и отвечающие ему прочностные характеристики могут быть восстановлены термообработкой – нормализацией с высоким отпуском.

Второй серьезной неустойчивостью сталей является графитизация цементитной составляющей структуры. Данный процесс заключается в том, что долгосрочное пребывание железоуглеродистых сплавов при 500 °С приводит к разложению карбида железа (уравнение 1.11) с образованием углерода в виде графита, собирающегося в небольшие скопления, которые по существу представляют собой «пустоты» в зернах феррита. Около последних, как правило, создается объемное напряженное состояние, приводящее к усиленной концентрации напряжений. На основании этого может произойти хрупкое разрушение конструкции. Особенно опасно данное явление при расположении графитных гнезд в виде цепочки, представляющей собой «трещину», которая может пройти через рабочее сечение детали и окончательно разрушить ее.

Fe₃C ® 3Fe + C (1.11).

Факторы, усиливающие процесс графитизации, такие же как и при сфероидизации. Развитие выделений графита в сталях можно предупредить введением в их состав карбидообразующих элементов. Например, добавление в сплав 0,3 - 0,5 % хрома существенно снижает его склонность к графитизации. Наличие алюминия в сталях наоборот может усилить формирование графита. Поэтому его концентрация как раскислителя не должна превышать 0,25 кг на тонну сплава. Должен быть также ограничен предел рабочих температур нестойких против графитизации сталей: для углеродистых 450 °С и легированных молибденом (до 0,5 %) – 485 °С.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое текстура деформации и как она влияет на свойства металла?

2. Чем отличается процесс первой стадии возврата от процесса полигонизации?

3. Какие факторы влияют на температурный процесс рекристаллизации?

4. Чем вызван процесс собирательной рекристаллизации?

5. Проходит ли процесс рекристаллизации после деформации ниже критической?

6. Когда будет крупнее рекристаллизованное зерно: после деформации на 25 или на 75 %?

7. В чем различие между статической и динамической рекристаллизацией?

8. Какие факторы влияют на текстуру рекристаллизации? В каких случаях текстура желательна и когда ее нужно избегать?

9. Зачем и как проводится процесс сфероидизации заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей?

10. В чем заключается графитизация железоуглеродистых сплавов? Чем она опасна и как ее можно предупредить?

11. Укажите основные факторы, влияющие на процесс графитизации.