Наследственный размер зерна.

Под начальнымподразумевают размер зерна аустенита, полученного немедленно по окончании процесс нагрева и образования аустенита в надкритическом интервале температур (т.е. выше А_С3 –для доэвтоктоидных сталей и выше А_Сm- для заэвтектоидных сталей). Начальная величина зерна аустенита зависит от числа зародышей, возникающих в исследуемом объеме металла в единицу времени, и скорости их роста. С увеличением времени выдержки при данной температуре зерно быстро растет ввиду стремления системы к уменьшению свободной энергии. Склонность к росту зерна аустенита сталей одного и того же состава, но выплавленных в различных условиях (т.е. различных плавок), может быть неодинаковой. Поэтому различают наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые стали (рис.4).

Рис. 4. Схема роста зерна аустенита при нагреве (Лахтин Ю.М.)

Под действительным – понимают размер зерна аустенита, полученного в конкретных данных условиях нагрева при термической обработке металла. Действительное зерно аустенита всегда больше начального, так как после окончания образования аустенита (в процессе нагрева при термообработке) его зерна растут до определенных размеров, которые определяются температурой нагрева, временем выдержки и целым рядом др. факторов - химическим составом стали, способом производства стали и др. Структура стали после термообработки определяется величиной только действительного зерна аустенита, чем мельче действительное зерно, тем дисперснее будет и вторичная структура термообработанного металла.

Под наследственным размером зерна аустенита понимают размер, определенный с помощью стандартной методики. Наследственный размер зерна аустенита - технологическая характеристика склонности стали к росту зерна, он может быть меньше или больше действительного (стандартная методика определения: нагрев 930⁰С, выдержка 8 часов для доэвтектоидной стали (3 часа для заэвтектоидной), охлаждение металла с печью). При охлаждении стали с температур аустенитизации происходит превращение аустенита во вторичные структуры (феррит, перлит и т.д.), размер которых существенно зависит от размера аустенитного зерна. Чем мельче размер зерна аустенита до полиморфного превращения, тем мельче зеренная вторичная структура в охлажденном металле. Согласно ГОСТ 5639-82 средний размер аустенитного зерна характеризуется его номером (от 3 до 14). Крупными считают зерна аустенита с номерами 3…5; а мелкими – с номерами 6…14. Влияние легирующих элементов, находящихся в твердом растворе или в виде частиц вторичной фазы, носит сложный характер и зависит от многих факторов.

Большой практический и научный интерес представляют обнаруженная В.Д. Садовским, К.А. Малышевым, Б.Г. Сазоновым и исследованная В.И Архаровым, Ю.Д. Козмановым и др. учеными перекристаллизация аустенита (в аустенитной области), обусловленная внутрифазовым наклепом. Исследования показали, что в ряде случаев размер зерна аустенита при нагреве обусловливается не только протеканием фазового превращения при достижении критических точек, но и последующей его рекристаллизацией, вызванной фазовым наклепом за счет объемных изменений в процессе превращения при нагреве металла (прежде всего со структурой М или Б при a®g и в самом аустените при повышении температуры нагрева).

Было установлено, что при нагреве сталей следует различать два этапа структурообразования, которые по температуре могут не совпадать:

-фазовую перекристаллизацию при нагреве выше А_С3 (образование аустенита);

-структурную перекристаллизацию (т.е. измельчение ранее образовавшегося аустенита по механизму рекристаллизации – в процессе дальнейшего нагрева до температур точки b Чернова).

При явлениях структурной наследственности в металле после первой стадии (фазовой перекристаллизации) отсутствует вторая стадия - структурная перекристаллизация аустенита.

На основании анализа полученных экспериментальных данных ученые пришли к выводу, что точка b Чернова является температурой действительной рекристаллизации аустенита стали и изменения “физической структуры” в отличие от точки А_С3, при которой происходит изменение “химической структуры”. Превышение температуры точки b Чернова над А_С3 может достигать различных уровней для разных сталей, примерно на 150 - 250⁰С.

Феррит (Ф) – от слова ferrum – железо (такое название структурной составляющей присвоил Сорби) представляет собой твердый раствор внедрения углерода в a-железе. Максимальная растворимость углерода в равновесных условиях в феррите при эвтектоидной температуре 727⁰С составляет 0,025 % мас. (определяется положением точки Р на диаграмме Fe-C). По мере снижения температуры (по линии PQ диаграммы Fe-C) концентрация углерода в феррите уменьшается и при температуре 20-25⁰С в a-железе растворяется 0,006% углерода. Такая низкая растворимость углерода объясняется меньшими размерами междоузлий в феррите, по сравнению с аустенитом. Как и чистое железо, феррит имеет кристаллическую решетку в виде объемно центрированного куба. Плотность феррита составляет 7,874 г\см³. А максимальная растворимость углерода в феррите при ускоренном охлаждении из однородного аустенитного состояния (0,06% С) достигается (рис.4) при переохлаждении малоуглеродистых сталей до 550-500⁰С. Аналогичную концентрационную зависимость имеет и азот, максимальное содержание которого (0,11%) наблюдается при 590⁰С и резко уменьшается при снижении температуры металла. В литературных источниках встречаются различные данные по концентрации углерода в феррите при низких температурах (от 0,01% до 0,006%), что можно объяснить чистотой эксперимента в каждом конкретном случае.

Рис.5. Положение границ равновесия g- и a-фаз в системе Fe-C

при переохлаждении (Смирнов М.А. и др.)

При нагреве до температуры 770⁰С (768⁰С-точка Кюри феррита – обозначают А₂) феррит является ферромагнитной фазой.

Различают несколько разновидностей феррита, обусловленные условиями его образования:

-полиэдрический (избыточный, равноосный) феррит образуется обычно по границам аустенитных зерен;

-видманштеттовый феррит(назван по имени А. Видманштетта - австрийского ученого) - особый вид структуры доэвтектоидных сталей с содержанием углерода примерно до 0,4%, в которой феррит расположен по границам перлитных зерен, образуя сплошную или прерывистую сетку с иглами, отходящими от нее внутрь перлитных колоний (рис.6). Видманштеттовый феррит обычно возникает при перегреве металла (характеризуется крупным действительным зерном аустенита), часто в металле сварных швов и при условии ускоренного охлаждения изделия. Образование В.Ф. обусловлено стремлением системы к минимуму упругой и поверхностной энергии за счет сочленения пластин (игл) по сходным атомным плоскостям. Пластины В.Ф. образуется внутри зерен аустенита и часто берут начало от полиэдрических зерен феррита.

Рис.6.Видманштеттовый феррит (Бабошин А.Л.)

Эпитаксиальный феррит-феррит, который образуется (точнее выделяется) на уже имеющемся феррите (т.е. без стадии зарождения). Эта структурная составляющая характерна для сталей, которые подвергаются термообработке из межкритического интервала, когда при нагреве металла в межкритическую область перлит (а возможно и часть феррита), превращается в аустенит, а при последующем охлаждении кроме новых, образующихся зерен феррита, на имеющемся (непревращенном при нагреве) феррите происходит эпитаксиальный рост феррита. Наиболее часто эпитаксиальный феррит наблюдается при получении двухфазных (дуальных) сталей (Ф+Б или Ф+М).

Структура феррита наблюдается в различных видах железа, которое по количеству примесей можно разделить:

– на “химически чистое железо” (пирофорное железо – получается путем восстановления окиси железа водородом; электролитическое железо; карбонильное железо- получится при нагреве карбонила железа Fe(CO)₅. Наиболее чистое от примесей -– пирофорное железо (только следы водорода и кислорода). Электролитическое и карбонильное железо содержит всех обычных примесей от 0,05 до 0,10%.

– техническое железо с суммарным содержанием примесей £0,02% - (точка Р на диаграмме Fe-C) в промышленности называют еще “армко-железо” и железо-ВИТ (получено инж. В.И.Тыжновым), суммарное содержание примесей до 0,15%.

Перлит – смесь феррита и цементита, образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита (ученый Сорби при исследовании структуры стали под микроскопом обнаружил структурную составляющую, дававшую световые рефлексы и поэтому названную им “жемчужной составляющей”-pearly conttituent, впоследствии названной перлит). Перлит образуется при небольших переохлаждениях аустенита в интервале температур Аr₁…650⁰С. Плотность перлита составляет 7,848 г\см³. В зависимости от дисперсности чередующихся пластин феррита и цементита в колонии перлита условно различают:

– перлит (межпластинчатое расстояние в пределах 0,6…1,0мкм, НВ180);

– сорбит (0,25…0,3мкм, НВ250) –назван по имени французского ученого Сорби Н.С.;

– троостит, тростит или трустит- назван в честь французского ученого Труста Л.Ж.(0,1…0,15мкм, НВ400).

Принципиального различия между этими структурами нет.

Условно считают, что сорбит образуется в процессе термообработки при распаде аустенита в области температур »600⁰С, (а при отпуске мартенсита в области температур 450-650⁰С – сорбит отпуска).

А троостит закалки образуется при непрерывном охлаждении или изотермической закалке при »500⁰С (пластинчатая форма Ц). Троостит отпуска - образуется при отпуске мартенсита в интервале температур 350-500⁰С (зернистая форма Ц). Троостит отпуска имеет более высокие пластические и вязкие свойства при равной прочности с трооститом закалки.

Бейнит (Б) – структурная составляющая стали, образующаяся при промежуточном превращении аустенита (обнаруженное Портвеном и Гарвином) и состоящая из смеси пластин пересыщенного углеродом феррита и карбида железа (Fe₃C). Структура названа так в честь английского ученого Э. Бейна, который с Э. Давенпортом в 1930 году построил первые диаграммы изотермического распада аустенита.

Бейнитное превращение идет по диффузионно-сдвиговому механизму (пластины феррита образуются в результате сдвигов, а карбиды диффузионным путем)

В отечественной и зарубежной литературе различают верхний, нижний бейнит и гранулированный бейнит (Г.В. Курдюмов, L.J. Habraken, M. Economopouls и др.), образующиеся, соответственно, в верхнем и нижнем интервале температур промежуточного превращения аустенита. Но в публикациях последних 20-ти лет можно встретить и другие классификации промежуточных структур. В зарубежной литературе, исходя из предположения, что бейнит в малоуглеродистых сталях всегда имеет реечную морфологию, отличающийся местом выделения цементита, классифицируют соответствующие промежуточные структуры ( классификация Y. Ohmori H. Ohtany, B.L.) как:

– Игольчатый феррит – реечная морфология феррита, без выделений цементита по границам;

– В1; В2; В3 – верхний бейнит, в котором цементит выделяется по границам реек феррита

– Нижний бейнит – с пластинчатой морфологией феррита и выделением карбидов внутри пластин.

В классификации Bramfit, I.G. Speer к В3 (по морфологии) относится игольчатый феррит с выделением вторичной фазы (остаточного аустенита или мартенсита), к В2 относится игольчатый феррит с выделением цементита по границам ферритных игл, а к В1- игольчатый феррит с цементитом внутри ферритных игл.

При переохлаждении аустенита происходит образование сдвиговым (мартенситным) путем бейнитного феррита (т.е. ферритных реек внутри колоний бейнита) с сохранением когерентной связи кристаллических решеток с исходной фазой. При этом образование бейнитного феррита связано с перераспределением углерода в аустените (рис. 7). С понижением температуры g®a превращения в бейнитной области содержание углерода в бейнитном феррите растет, а в непревращенной части аустенита уменьшается. В соответствии с рис.7 бейнитный феррит будет образовываться при переохлаждении аустенита только в тех объемах, для которых точка Мн лежит выше температуры превращения. Для стали с содержанием углерода С₀ при переохлаждении в промежуточную область (до t₁) в бейнитный феррит смогут превратиться только те объемы аустенита, содержание углерода в которых не более точки С₁. При более сильном переохлаждении аустенита (до t₂) образование бейнитного феррита будет происходить в тех объемах аустенита, в которых концентрация углерода достигает точки С₂. Таким образом, при температуре t₂ в непревращенный аустенит будет вытеснено меньше углерода, чем при температуре t₁, соответственно в аустените содержание углерода при понижении температуры превращения должно снижаться.

Рис.7. Схема, поясняющая увеличение концентрации углерода

в бейнитном феррите при снижении g®a превращения (Смирнов М.А. и др.)

Верхний бейнит (ВБ) – структура с перистым строением, образовавшаяся из переохлажденного аустенита в интервале 500-350⁰С; состоит из групп тонких параллельных реек феррита толщиной менее 1 мкм и шириной 5-10 мкм, а также из тонких частиц цементита по их границам. Электронномикроскопические исследования показывают, что рейки феррита в свою очередь состоят из собственной тонкой структуры, включающей еще более тонкие рейки с повышенной плотностью дислокаций (более высокой, чем в видманштеттовом феррите.)

Возможны варианты выделения по границам ферритных реек остаточного аустенита, который при последующем отпуске распадается по М механизму. Такой бейнит часто называют гранулированным или зернистым.

Нижний бейнит (НБ) – структура с игольчатым мартенситоподобным строением, образовавшаяся в результате распада переохлажденного аустенита в интервале температур 400-250⁰С (для разных сталей); состоит из пересыщенных углеродом реек феррита, в которых однообразно располагаются тонкие частицы цементита или e-карбида. При этом характерным признаком нижнего бейнита является выделение карбидных “столбиков” под углом 55-60° к продольной оси бейнитной пластины, которые образуют параллельные колонии. Плотность дислокаций в ферритных пластинках выше, чем в верхнем бейните. В некоторых сталях нижний бейнит не содержит карбидных выделений.

В малоуглеродистых и низколегированных сталях в верхней температурной области промежуточного превращения при определенных условиях превращения переохлажденного аустенита образуется структура игольчатого феррита, свободного от карбидных выделений. Хотя в зарубежной литературе под эту структурную классификацию попадают и другие виды структур промежуточной области - с карбидными выделениями, прослойками аустенита остаточного по границам ферритных реек, т.е. структуры, которые в отечественной литературе классифицируются как малоуглеродистый бейнит.

Игольчатый феррит (ИФ) – это вероятно одна из самых интересных структур, вызывающих в последние 15-20 лет постоянные уточнения и споры по признакам, ее определяющим. При понижении температуры превращения в Ф+П области скорость зарождения феррита возрастает и, следовательно, размер зерна уменьшается. Увеличение степени переохлаждения в Ф+П области дает тот избыток свободной энергии, который позволяет формировать пластинчатую или игольчатую форму ферритных реек, характеризующихся быстрым ростом. Эта часть структурообразования игольчатого феррита не вызывает споров, а вот процесс выделения избыточного углерода в процессе превращения является до сих пор спорным.

Игольчатый феррит состоит из колоний параллельных реек, при этом свойства сталей с такой структурой определяются размером колоний, а не размером реек. Плотность подвижных дислокаций в ферритных рейках очень высока, при определенных условиях образуется субструктура. Одни исследователи доказывают, что карбиды углерода и легирующих элементов выделяются в процессе превращения по границам раздела фаз (т.е. по границам ферритных зерен) или внутри феррита. При этом указывается, что цементитные пластины могут образовывать непрерывные прослойки или цепочки (как в верхнем бейните). Вытеснение углерода из растущей ферритной фазы при превращении приводит к образованию остаточного аустенита или мартенсита. Мартенситная составляющая часто содержит двойники, что указывает на высокое локальное (>0,5%) содержание углерода. Другие ученые определяют игольчатый феррит как безкарбидный феррит, т.е. колонии параллельных реек не содержат на границах выделений карбидной фазы (Курдюмов Г.В., Сухомлин Г.Д., Большаков В.И. и др.).

В литературе приводятся данные о том, что малоуглеродистые низколегированные стали со структурой игольчатого феррита после отпуска еще больше упрочняются за счет дисперсионного твердения (выделяются карбиды ниобия, ванадия), но при этом снижается вязкость (вероятно за счет закрепления подвижных дислокаций).

По внешнему виду микроструктура игольчатого феррита очень похожа на нижний бейнит малоуглеродистых низколегированных сталей.

Мартенсит (М) – структурная составляющая кристаллических твердых тел, возникающая в результате сдвигового бездиффузионного полиморфного превращения при охлаждении. Структура названа Осмондом по имени немецкого металловеда А. Мартенса (1850-1914гг).

Мартенсит в стали – пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе, образовавшийся в результате бездиффузионного полиморфного превращения аустенита при закалке.В сталях и сплавах различного химического состава структура мартенсита может различаться. В технической литературе существуют различные классификации мартенсита по определенным признакам: кристаллографической структуре (a- или e- мартенсит); кинетике превращения (атермический, изотермический); форме кристаллов (пластинчатые, игольчатые); способам сочленения кристаллов в группы- ансамбли; плоскости габитуса; легированности; температуре образования и т.д.

Так, например, в закаленных углеродистых сталях условно различают крупноигольчатый (длина игл от 12 до 20мкм) мартенсит, который образуется в больших зернах аустенита при относительно низкой температуре Мн, мелкоигольчатый (длина игл от 4 до 8мкм) мартенсит, образующийся в мелких аустенитных зернах. Мартенсит с очень малыми размерами игл (менее 2 мкм) называют скрытоигольчатым или безструктурным.

Считают, что наиболее удачной является классификация мартенсита по морфологическим признакам, в которой учитываются и другие признаки. В соответствии с этой классификацией различают следующие основные типы мартенсита: пакетный (реечный или дислокационный); бабочкообразный (баттерфляй); пластинчатый или линзовидный; а в высоколегированных сталях классифицируют его как тонкопластинчатый(двойникованный). На рис.7 приведена классификация видов мартенсита в зависимости от температуры превращения и содержания углерода в сплаве (по И.Тамура).

Рис.8. Зависимость типа мартенсита от температуры превращения

и содержания углерода в Fe-Ni-C сплавах (И.Тамура)

Пакетный (реечный) мартенсит –мартенсит, кристаллы которого имеют форму пластины (рейки) и сформированы в пакеты, которые металлографически выявляются как области разной травимости в пределах одного аустенитного зерна или закаленного монокристалла. В пределах пакета кристаллы мартенсита располагаются почти параллельно друг другу, что иногда рассматривается как доказательство их единой ориентировки. Переход от одного пакета к другому сопровождается изменением направления ориентировки кристаллов, т.е. внутри бывшего аустенитного зерна пакеты разделены преимущественно как малоугловыми, так и большеугловыми границами. В пределах каждого пакета присутствуют кристаллы шести определенных ориентировок мартенсита. В конструкционных сталях реализуются ориентационные соотношения (о.с.), промежуточные между о.с. Курдюмова-Закса и о.с. Нишиямы. Такой вид структуры характерен для закаленных низко- и среднеуглеродистых сталей. Ширина рейки от нескольких до 0,1-0,2мкм. Плотность дислокаций в пакетном мартенсите 10¹¹-10¹² см^-2, т.е. такая же, как после сильной холодной деформации. Пакетный мартенсит образуется при сравнительно высоких температурах, при которых на начальных стадиях превращения основным механизмом аккомодации (приспособления) деформации является скольжение дислокаций, что инициирует дальнейшее развитие сдвиговых процессов. Его также еще называют массивным, реечным, недвойникованным, высокотемпературным мартенситом.

В легированных сплавах железа или в углеродистых сталях (0,5…1,0% С) образуется тип мартенсита, имеющий бабочкообразный вид и который называют “баттерфляй”. Характерной особенностью его является сочленение двух отдельных пластин мартенсита с образованием тупого угла – подобно виду бабочки на микрошлифе.

Пластинчатый (двойникованный, линзообразный)мартенсит- мартенсит,кристаллы которого имеют форму тонких линзообразных пластин, соседние пластины не параллельны и часто образуют фермоподобные ансамбли. Эффект аккомодации (приспособления) – связан с формированием своеобразных ферм или зикзагов из кристаллов мартенсита в пределах аустенитного зерна, в результате чего при мартенситном превращении уменьшается упругая энергия.

К характерным морфологическим особенностям пластин a- мартенсита можно отнести неровности и выступы на границе мартенситного кристалла, наличие в каждой пластине средней линии с повышенной травимостью –мидриба (состоит из множества тонких двойниковых прослоек), несплошностей (островки остаточного аустенита), микротрещин и следов скольжения. Между пластинами пластинчатого мартенсита сохраняется остаточный аустенит. Мидриб – от английских слов середина (middle) и лента (ribbon).

Пластинчатый мартенсит образуется при сравнительно низких температурах, при которых основным механизмом аккомодации деформации является двойникование. Его еще называют игольчатым, двойникованным, низкотемпературным.

В высоколегированных сплавах, имеющих низкую (минусовую) температуру Мн, образуются полностью двойникованные тонкие кристаллы мартенсита, который называют тонкопластинчатым.Его пластины образуют остроугольные сочленения, но в отличие от линзообразного мартенсита, кристаллы тонкопластинчатого при столкновении могут пересекать друг друга.

Известно, что наиболее распространенными модификациями углерода являются графит и алмаз. При этом алмаз представляет собой метастабильную форму углерода, которая с течением времени медленно изменяется. Исследования различных авторов показывают, что существует несколько разновидностей алмаза, различающихся по свойствам и морфологии (например- гексагональная модификация, названная лонсдейлит).

Графит – существует в виде минерала слоистого типа, гексагональная кристаллическая модификация которого представляет собой наиболее устойчивую форму углерода в земной коре. Наряду с природным графитом существую также и кристаллические разновидности искусственного графита – доменный и карбидный.

Доменный графит выделяется при медленном охлаждении больших масс чугуна в чугуновозных ковшах или миксерах.

Карбидный графит образуется при разложении карбидов в процессе термической обработки чугунов при большом переохлаждении металла и в отсутствии зародышей графита (из белого чугуна получают серый).

Существуют две политипические модификации графита – гексогональная и ромбоэдрическая.

В зависимости от формы включений различают свободный графит:

-пластинчатый (ПГ) ;

-вермикулярный или еще называют червеобразный (ВГ);

-хлопьевидный (ХГ);

-шаровидный (ШГ).

Форма свободного графита определяет основные типы чугунов:

-серый чугун (СЧ) –с пластинчатым графитом;

-чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ);

-ковкий чугун (КЧ)-с хлопьевидным графитом;

-высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ).

В 1985г учеными при лазерном испарении графита в струе гелия были обнаружены новые молекулы углерода (новая аллотропная модификация углерода - форма сходна с футбольным мячом), содержащие 60 и 70 атомов углерода, которые и были названы Бакминстером Фуллером фуллеренами.