Превращения сталей в твердом состоянии
Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии, поэтому рассмотрим более подробно превращения сталей при температурах ниже температур кристаллизации (ниже линии NJE).
Рассмотрим превращения, протекающие в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области (рис. 6.3а).
Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02% С (точка Рдиаграммы), называют техническим железом.
Рис.6.3. Часть диаграммы состояния Fe – Fе3С для сплавов, не испытывающих (а) и испытывающих (б) эвтектоидное.
Если углерода содержится меньше 0,0002% (сплав I), то при охлаждении от температуры точки 1до температуры точки 2происходит перекристаллизация аустенита в феррит. Однофазная ферритная структура сохраняется вплоть до комнатной температуры (20 - 25°С).
При содержании углерода в техническом железе больше 0,0002% (сплав II на рис6.3.а) после образования феррита, начиная с температуры точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (линия PQ). Конечная структура будет двухфазной: феррит и третичный цементит, причем цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных зерен. Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность.
При 20 - 25°С третичный цементит имеется во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,0002%С. Однако роль третичного цементита в формировании свойств невелика, так как его содержание мало по сравнению с цементитом, выделившимся при других фазовых превращениях. Обычно при рассмотрении структуры сплавов с содержанием углерода более 0,02% о третичном цементите не упоминают.
Сплав II (рис. 6.3б)с содержанием 0,8%С называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии PSKпроисходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02% С и цементит. Такую смесь двух фаз называют перлитом (рис.6.3б). Эвтектоидное превращение идет при постоянных температуре и составе фаз, так как в процессе одновременно участвуют три фазы и число степеней свободы равно нулю.
Сплав I (см. рис. 6.3б)с содержанием углерода менее 0,8% называют доэвтектоидной сталью. Эвтектоидному превращению в таких сталях предшествует частичное превращение аустенита в феррит в интервале температур точек 1 - 2. При температуре точки bфазовый состав сплава АC + ФA. Количественное соотношение аустенита и феррита соответственно определяется отношением отрезков ab и be.
При температуре точки 2сплав имеет фазовый состав AS + ФPс количественным соотношением фаз соответственно Р2и 2S. В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали.
Количественное соотношение между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. Следовательно, зная содержание углерода в доэвтектоидной стали, можно заранее предвидеть ее структуру в стабильном состоянии.
Сплав III (рис. 3б)— заэвтектоидная сталь (> 0,8% С). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3 - 4предшествует выделение из аустенита вторичного цементита (ЦII). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ESдиаграммы. В результате при охлаждении до температуры точки 4аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8% и на линии PSKиспытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой (см. на фотографиях). Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20%) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.