Кристаллизация сталей

Полное физико-химическое равновесие между фазами может быть достигнуто только в специальных лабораторных условиях, а на практике некоторым приближением к этому состоянию может быть случай чрезвычайно медленного охлаждения или нагрева сплава с весьма длительными выдержками во времени при любых искомых температурах.

Условимся, что при разборе сплавов в процессе их превращения при нагреве или охлаждении каждое фиксируемое состояние фаз соответствует равновесному, вытекающему из соответствующих кривых, причем для взятой температуры найденные составы будут относиться ко всему объему фаз, а не только к пограничным контактирующим слоям, где фазовое равновесие устанавливается практически очень быстро. Кроме того, известно, что при всяком фазовом превращении происходит возникновение зародышевых центров и последующий их рост.

При этом термодинамика учит, что зародышевые центры, способные к дальнейшему росту, т. е. к развитию фазового превращения, могут возникать в исходной материнской фазе не при предельной температуре, определяемой по кривым диаграммы, где фазы находятся в равновесии, а при температуре несколько меньшей, т. е. при наличии некоторого переохлаждения.

Поэтому, когда будем говорить о том, что по достижении какой-то линии диаграммы при нагреве или при охлаждении начинается фазовое превращение, то это надо понимать условно, т.е., что они совершаются в «идеальных» условиях.

2.1. Первичная  кристаллизация сталей

Рассмотрим первичную  кристаллизацию сталей, для чего воспользуемся  рис. 3.

Сплав 1 (0,05 % С).  Кристаллизация  начнется, в точке α и закончится в точке b с образованием  δ - твердого  раствора.  Углерод повышает температуру аллотропического превращения железа δ↔γ. Эта перестройка решетки твердого раствора идет между точками с и d, когда одновременно существуют два разных твердых раствора (состав  δ - раствора изменяется по линии НN, γ - раствора - по линии JN). Ниже точки d сплав охлаждается в аустенитном состоянии.

Рис. 3. Левый верхний угол диаграммы состояния Fе - С - первичная кристаллизация сталей.

 

Сплав 2 (0,13 % С). Кристаллизация δ - раствора начнется в точке е и закончится в точке k. При 1499°C происходит перитектическое превращение:

δ_H +L_B→ γ_J.

От точки k до точки п идет перестройка решетки δ→γ  и, наконец, ниже точки п сплав охлаждается в аустенитном состоянии.

Сплав 3 (0,25 % С). Кристаллизация δ - раствора начинается в точке l и заканчивается в точке т. При 1499° C также происходит перитектическое превращение, по окончании которого в избытке оказывается жидкая фаза. От точки т до точки s продолжается кристаллизация аустенита из жидкой  фазы. Ниже точки s сплав охлаждается в аустенитном состоянии.

Сплав 4 (0,6% С). Кристаллизация сплава начинается в точке g с образования аустенита и продолжается до точки h. Ниже этой точки сплав охлаждается в аустенитном состоянии.

Таким образом, первичная кристаллизация сталей заканчивается образованием γ - фазы, т. е. аустенита.

Рассмотрим теперь превращения, происходящие в сталях при дальнейшем охлаждении в твердом состоянии, т. е. вторичную  кристаллизацию (рис. 4).

 

2.2. Вторичная  кристаллизация сталей

 

 

Рис. 4. Нижний левый угол диаграммы состояния Fе - С - вторичная кристаллизация сталей.

 

Сплав 5 (0,3 % С). Выше точки а сплав находится в аустенитном состоянии. После окончания первичной кристаллизации аустенит охлаждается без каких-либо изменений. Углерод в сплавах понижает температуру полиморфного превращения γ→α. В сплаве 5 это превращение начнется на линии GS в точке а и будет развиваться далее с понижением температуры до точки е. Так в сплаве появляется феррит. Концентрация углерода в уменьшающемся по количеству аустените будет изменяться по линии GS (к точке S), а концентрация углерода в увеличивающемся по количеству феррите - по линии GP (к точке Р). Из приведенных ранее данных известно, что количество углерода в ферритной фазе весьма мало, поэтому выделение феррита должно вызывать заметное увеличение содержания углерода в аустените, что и происходит.

В точке е выделение феррита закончится, и сплав будет состоять из двух фаз: α _р + γ_S .

Чуть выше линии PSK:

= *100% = *100% = 64,1%;

= *100% = *100% = 35,9%.

Аустенит с содержанием 0,8 % углерода на линии РSК претерпевает эвтектоидное превращение, состоящее в том, что одновременно выделяются две кристаллические фазы: феррит предельного насыщенния (точка Р) и цементит:

+ .

Возникающая при эвтектоидном распаде аустенита смесь феррита и цементита имеет тонкопластинчатое строение (чередующиеся пластинки a и Fе₃С) и называется перлитом - по радужной окраске поверхности шлифа после травления, имеющей сходство с перламутром.

Феррит, который выделился из аустенита  в интервале температур от точки а до точки е,  в эвтектоидном превращении  не участвует. Во время эвтектоидного распада аустенита на линии РSК система состоит из трех фаз: α_р, γ_S  и Fе₃С, поэтому по правилу фаз:

С=  К + 1– Ф = 2 + 1– 3 = 0.

Устанавливаем, что число степеней свободы системы равно нулю. Следовательно, эвтектоидный распад аустенита происходит при постоянной температуре и при неизменной концентрации углерода во всех трех фазах.

Сразу после перлитного превращения  система состоит из фаз a и Fe₃C, их относительное количество:

= *100% = *100% = 95,8%;

Fe₃C=

*100% = *100% = 4,2%.

Структурные составляющие - феррит+перлит, т. е. α + (α + Fе₃С). Но 95,8 % феррита делится на избыточный феррит, выделившийся в интервале ae из аустенита  (64,1 %) и феррит в составе перлита (95,8 %-64,1 %=31,7 %) Цементит же весь находится в составе перлита, т.о. получается: 64,1 % α + (31,7 % α + 4,2 % Fе₃С). Количество перлита (35,9 %) соответствует количеству аустенита перед эвтектоидным превращением.

При дальнейшем охлаждении сплава, состоящего из феррита и цементита, ферритная фаза должна обедняться углеродом (по линии PQ) с выделением цементита, называемого третичным. Это фазовое превращение дает столь незначительные изменения в структуре, составе и количестве фаз, что при рассмотрении превращений в среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталях и чугунах им можно пренебречь. Однако превращение с выделением третичного цементита имеет большое значение для мягких сортов сталей с низким содержанием углерода, так как выделения цементной фазы могут заметно ухудшать вязкость стали.

Таким образом, не учитывая третичный цементит, при комнатной температуре сталь взятого состава (0,3 % С) в точке f состоит из двух фаз: феррита и цементита, а структурные составляющие стали (после медленного охлаждения) будут представлены так:  

феррит+перлит, т. е. α + (α + Fе₃С).

 

На рис. 5 изображена микроструктура стали с 0,3 % С после медленного охлаждения (отжига). Обнаруживаются зерна феррита и перлита, иначе называемого феррито-карбидной смесью (ФКС). Светлые зерна структуры представляют собой феррит, а темные - перлит.

 

 

Рис. 5. Микроструктура доэвтектоидной стали.

 

Точка S диаграммы (0,8 % С) называется эвтектоидной точкой, а вся линия РSК - линией эвтектоидного или перлитного превращения. По отношению к эвтектоидной точке S стали делятся на:

- доэвтектоидные (содержащие до 0,8 % углерода);

- эвтектоидную (0,8 %);

- заэвтектоидные (содержащие углерода от 0,8 до 2,14 %).

Следовательно, доэвтектоидные стали при комнатной температуре после медленного охлаждения имеют одни и те же структурные составляющие: избыточный феррит + перлит, но в разных количествах в зависимости от содержания углерода.

Вторичная кристаллизация эвтектоидной стали (0,8 %) начинается сразу с эвтектоидного превращения:

+ .

Относительное количество фаз соответственно сразу после  превращения:

.

При комнатной температуре  фазовый состав – 88,3 % феррита и 11,7% цементита, структурная составляющая одна – перлит. Микроструктура такой стали приведена на рис. 6. Заметно, что перлит имеет характерное строение с чередующимися полосками феррита и цементита, причем в каждом зерне перлита ориентировка полосок своя, отличная от таковой в соседнем зерне.

 

 

Рис. 6. Микроструктура эвтектоидной стали.

 

Сплав 6 (1,2 % С). После завершения первичной кристаллизации сталь охлаждается в аустенитном состоянии. Исходя из положения линии ES, можно установить, что аустенит стали с 1,2 % С вплоть до точки l (на линии ES) оказывается ненасыщенным углеродом. По достижении температуры точки l (рис. 4) аустенит становится предельно насыщенным углеродом, и так как растворимость углерода при охлаждении уменьшается (согласно линии ES), то, начиная с точки l, из аустенита выделяется избыток углерода в виде Fе₃С, называемый вторичным (избыточным) цементитом (Fe₃C)_II.

Чуть выше линии PSK сплав будет состоять из двух фаз: аустенита и вторичного цементита. Применяя правило рычага, можно установить, что весовое количество цементита и аустенита:

.

Таким образом, перед  превращением сплав состоит из (93,2 % γ+                6,8 % (Fe₃C)_II). Структурные и фазовые составляющие совпадают.

По достижении точки т аустенит содержит 0,8 % С (точка S) и претерпевает уже известное нам эвтектоидное превращение:

+ .

Вторичный цементит, выделившийся в интервале температур от точки l до точки m, в этом превращении не участвует. Сразу после превращения:

.

17,7% - это общее количество цементита в сплаве, он включает в себя и     6,8 % избыточного (Fe₃C)_II, выделившегося в интервале lm, и цементит перлита: 17,7 %-6,8 %=10,9 %. Таким образом, получаем:

6,8 % (Fe₃C)_II + (82,3 % a + 10,9 % Fe₃C)_перлит.

При дальнейшем охлаждении вплоть до точки r фазовые и структурные составляющие стали не изменяются (не забывать о поправке, сделанной при разборе сплава 5 в связи с ходом линии PQ). Сплав состоит из двух фаз феррита и цементита, а структурные составляющие стали представлены так:

цементит + перлит, т. е. (Fe₃C)_II + (α+Fе₃С).

Микроструктура такой стали представлена на рис. 7. Здесь, наряду с перлитом, присутствует вторичный (избыточный) цементит (белая сетка вокруг зерен перлита).

При травлении шлифа  обычными реактивами цементит не травится и так же, как феррит, остается чисто белым, поэтому, чтобы отличить белую сетку цементита от ферритной, нужен определенный навык исследователя или специальные методы испытаний.

При изучении микроструктур  сталей часто возникает вопрос, почему перлит «темный», если феррит и цементит, как только что было рассмотрено – это «светлые» фазы? Повторимся, перлит – это двухфазная структурная составляющая, а фазы, ее образующие, это феррит и цементит, имеющие различную травимость. В этом случае на поверхности шлифа образуется сложный рельеф, приводящий к рассеянию падающего света.

 

 

Рис. 7. Микроструктура заэвтектоидной стали.

 

Таким образом, заэвтектоидные стали при комнатной температуре после медленного  охлаждения имеют одни и те же структурные составляющие: вторичный избыточный цементит + перлит, но в разных относительных количествах в зависимости от содержания углерода.

 

2.3. Превращения  в белых чугунах

 

Перейдем теперь к  рассмотрению превращений в чугунах (рис. 8). Повторимся, что границей для такого деления является 2,14 % С (точка E). Сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, относятся к сталям, более 2,14 % - к чугунам.

Чугуны, кристаллизующиеся  в соответствии с диаграммой состояния  железо – цементит, отличаются высокой  хрупкостью. В них весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами.

Чугуны делятся по отношению к эвтектической точке С на:

- доэвтектические, (углерода от 2,14 до 4,3 %);

- эвтектический (4,3% );

- заэвтектические (содержащие углерода от 4,3 до 6,67 %).

 

 

Рис. 8. Фазовые превращения в чугунах по диаграмме состояния Fе – Fe₃C.

 

Сплав 7 (3,0 % С). В этом доэвтектическом белом чугуне кристаллизация начнется в точке а с выделения аустенита и закончится в точке b. При подходе к точке b сплав состоит из аустенита предельного насыщения (точки Е) и жидкой фазы эвтектического состава (точки С):

.

На линии ЕCF жидкая фаза (L_с) испытывает эвтектическое превращение:

.

Полученная эвтектическая  смесь (γ_Е + Fе₃С) имеет характерное строение и называется ледебуритом (по имени немецкого ученого Ледебура). Таким образом, по окончании первичной кристаллизации (немного ниже точки b) структурные составляющие сплава - первичные зерна аустенита (γ_Е) и ледебурит (γ_Е + Fе₃С), а фазовые составляющие сплава - аустенит и цементит: