Перлітне перетворення

Перлітне перетворення полягає в розпаді аустеніту на дві фази - ферит та цементит. Воно відбувається у такій послідовності. Спочатку в дефектних місцях, переважно на межах зерен аустеніту, зароджуються платівки цементиту як провідної фази (рис.1). Зростання платівок супроводжується дифузійним перерозподілом вуглецю перед фронтом зростання. Внаслідок цього аустеніт навколо пластинки цементиту збіднюється вуглецем. Згодом ці ділянки аустеніту з низькою концентрацією вуглецю поліморфно перетворюються: А→Ф. Ферріт, який утворився на кордоні з цементитом, має вигляд платівки. У той же час на кордоні з феритною платівкою аустеніт збагачується вуглецем, який полегшує зародження та зростання сусідньої цементитної платівки. В результаті виникає пластинчаста структура з двох фаз, що чергуються.

Малюнок 1 - Схема виникнення та зростання перлітного зерна: I - аустеніт A, II - утворення зародка цементиту Ц на межі зерна аустеніту; III - утворення пластин цементиту та фериту Ф; IV…VI — зростання та утворення нових пластин цементиту та фериту (перліту); 1 - висока концентрація вуглецю - цементит (6,67% С); 2 - низька концентрація вуглецю - ферит (

Процес триває доти, доки весь аустеніт не перетвориться на перліт. Пластинки фериту та цементиту у структурі перліту видимі при середніх збільшеннях мікроскопа. При більшому переохолодженні зростає дисперсність фаз фериту та цементиту. Такий, більш дисперсний перліт називається сорбіт. Двофазна будова сорбіту можна виявити лише при великих збільшеннях оптичного мікроскопа.Коли переохолодження ще більше, утворюється структура перлітного типу, що називається тростит. Розрізнити фази фериту та цементиту під оптичним мікроскопом у троститній структурі майже неможливо. Для цього потрібний електронний мікроскоп. Отже, перліт, сорбіт і тростит - двофазні пластинчасті (іноді зернисті) структури з різним ступенем дисперсності. Пластинчасті структури утворюються з однорідного (гомогенного) аустеніту, а зернисті - з неоднорідного (гетерогенного) по вуглецю аустеніту. Дисперсність перліту, сорбіту та троститу визначається середньою сумарною товщиною пластинок фериту та цементиту – міжпластинчастою відстанню Δа, яка є важливою структурною характеристикою, та яка визначає механічні властивості сталі. Зі збільшенням дисперсності фаз підвищується твердість НВ сталі (табл.1).
Таблиця 1 - Твердість структур евтектоїдної сталі

Перлітне перетворення

Перлітне перетворення полягає в розпаді аустеніту на дві фази - ферит та цементит. Воно відбувається у такій послідовності. Спочатку в дефектних місцях, переважно на межах зерен аустеніту, зароджуються платівки цементиту як провідної фази (рис.1). Зростання платівок супроводжується дифузійним перерозподілом вуглецю перед фронтом зростання. Внаслідок цього аустеніт навколо пластинки цементиту збіднюється вуглецем. Згодом ці ділянки аустеніту з низькою концентрацією вуглецю поліморфно перетворюються: А→Ф. Ферріт, який утворився на кордоні з цементитом, має вигляд платівки.У той же час на кордоні з феритною платівкою аустеніт збагачується вуглецем, який полегшує зародження та зростання сусідньої цементитної платівки. В результаті виникає пластинчаста структура з двох фаз, що чергуються.

Малюнок 1 - Схема виникнення та зростання перлітного зерна: I - аустеніт A, II - утворення зародка цементиту Ц на межі зерна аустеніту; III - утворення пластин цементиту та фериту Ф; IV…VI — зростання та утворення нових пластин цементиту та фериту (перліту); 1 - висока концентрація вуглецю - цементит (6,67% С); 2 - низька концентрація вуглецю - ферит (

Процес триває доти, доки весь аустеніт не перетвориться на перліт. Пластинки фериту та цементиту у структурі перліту видимі при середніх збільшеннях мікроскопа. При більшому переохолодженні зростає дисперсність фаз фериту та цементиту. Такий, більш дисперсний перліт називається сорбіт. Двофазна будова сорбіту можна виявити лише при великих збільшеннях оптичного мікроскопа. Коли переохолодження ще більше, утворюється структура перлітного типу, що називається тростит. Розрізнити фази фериту та цементиту під оптичним мікроскопом у троститній структурі майже неможливо. Для цього потрібний електронний мікроскоп. Отже, перліт, сорбіт і тростит - двофазні пластинчасті (іноді зернисті) структури з різним ступенем дисперсності. Пластинчасті структури утворюються з однорідного (гомогенного) аустеніту, а зернисті - з неоднорідного (гетерогенного) по вуглецю аустеніту.Дисперсність перліту, сорбіту та троститу визначається середньою сумарною товщиною пластинок фериту та цементиту – міжпластинчастою відстанню Δа, яка є важливою структурною характеристикою, та яка визначає механічні властивості сталі. Зі збільшенням дисперсності фаз підвищується твердість НВ сталі (табл.1).
Таблиця 1 - Твердість структур евтектоїдної сталі

Перлітне перетворення

Стосовно теорії та технології відпалу другого роду, а також інших видів термічної обробки, заснованих на процесах фазової перекристалізації, найбільше значення має евтектоїдне (перлітне) перетворення.

Це перетворення обумовлює можливість здійснення основних видів термічної обробки сталей та чавунів, регулювання їх структури та властивостей.

Крім того, важливу роль у структурних змінах, що визначають результати відпалу другого роду, відіграють процеси поліморфного перетворення аустеніту на ферит з утворенням надмірної феритної структурної складової в доевтектоїдних сталях, а також виділення вторинного цементиту - в заевтектоїдних.

Пряме евтектоїдне (перлітне) перетворення полягає в одночасному виділенні двох фаз (фериту та цементиту) з переохолодженого твердого розчину (аустеніту) в ізотермічних умовах або при безперервному охолодженні.

Суміш фаз, що складається з дрібних частинок, що регулярно чергуються, пов'язаних між собою силами фізико-хімічної взаємодії, що має єдиний середній хімічний склад і однорідні властивості, називається евтектоїдом.Що стосується системи залізо - вуглець така суміш зветься перліт.

У чистому вигляді евтектоїдний розпад аустеніту на ферито-цементитну суміш відбувається в евтектоїдній сталі з вмістом вуглецю 0,8%. Точкою фазової рівноваги такого перетворення є точка S на діаграмі залізо - вуглець. Цій точці відповідає трифазна рівновага аустеніту складу точки S з феритом, складу точки Р і цементитом складу точки До.

При дуже малих ступенях переохолодження (10-20 ° С) формується структура зернистого перліту. Сталь з такою структурою має найнижчу твердість та підвищену пластичність.

Структура пластинчастого перліту утворюється при ступенях переохолодження 30 - 70 ° С (режим 2 малюнку 7.5). Він може бути отриманий при безперервному охолодженні виробів разом з піччю зі швидкістю кілька градусів на хвилину. Пластинчаста будова перліту добре дозволяється при металографічних дослідженнях за допомогою світлового мікроскопа навіть за невеликих збільшеннях (х100 - 200 разів).

Основною кількісною характеристикою структури пластинчастого перліту є міжпластинкова відстань, що є сумарною товщиною одиничного осередку, що включає феритну і цементитну пластинки. Міжпластинкова відстань пластинчастого перліту становить 0,5 - 1,0 мкм. Твердість пластинчастого перліту евтектоїдного складу становить 170 - 230 НВ. Сталі, що мають перлітну структуру, характеризуються гарною оброблюваністю різанням, досить високою пластичністю, хоча й нижчою, ніж стали зі структурою зернистого перліту.Структура пластинчастого перліту є основною структурною складовою більшості вуглецевих та багатьох легованих сталей у стані постачання з металургійних заводів.

При ступенях переохолодження 70 - 120 ° С формується пластинчаста структура перлітного типу, міжпластинкова відстань якої становить 0,2 - 0,4 мкм. Така структура отримала назву сорбіт. Пластинчаста будова сорбіту дозволяється при металографічних дослідженнях із застосуванням великих оптичних збільшення (х500 - 1000 крат). Твердість сорбіту 230 – 330 НВ.

Крім режимів термообробки, що використовують ізотермічні умови розвитку перлітного перетворення, структуру сорбіту можна отримати в умовах безперервного охолодження зі швидкостями кілька десятків градусів за хвилину. Для малих перерізів (менше 15 – 20 мм) це відповідає охолодженню виробів на спокійному повітрі.

Ще більш дисперсні ферито-цементні структури, що формуються за механізмом перлітного перетворення, можуть бути отримані при ступенях переохолодження 150 - 250 °С. Це відповідає процесам розпаду в інтервалі температур мінімальної стійкості переохолодженого аустеніту. В умовах безперервного охолодження такі ступеня переохолодження досягаються при швидкостях охолодження кілька десятків градусів в секунду, що реалізується, наприклад, при охолодженні струменя стиснутого повітря або при зануренні зразка з вуглецевої сталі в масло. Міжпластинкова відстань таких структур виявляється менше 0,1 мкм. Їх пластинчаста будова під час досліджень на оптичних мікроскопах не дозволяється. Для виявлення пластинчастої будови в цьому випадку використовують електронний мікроскоп зі збільшенням х10000 – 20000. Ця структура називається троостит.Твердість трооститу найвища із усіх розглянутих структур перлітного типу. Вона становить 330 – 400 НВ.

Використання переохолоджень вище 200 - 250 ° С (нижче "носа" С-подібних кривих - режими 5 і 6 на малюнку 7.5) призводить до отримання структур верхнього і нижнього бейніту, що є продуктами проміжного перетворення, що істотно відрізняється від перлітного як за механізмом, так і по кінетиці, а також за типом структурного стану фаз у сталі та її властивостями; воно у своєму механізмі містить елементи дифузійного та бездифузійного (мартенситного) перетворення.

Згідно з діаграмою залізо - вуглець при охолодженні з аустенітного стану до- і заевтектоїдних сталей фазові перетворення починаються з виділення з аустеніту надлишкових фаз: фериту - в доевтектоїдній сталі і вторинного цементиту - в заевтектоїдній. Після переохолодження стали нижче нижньої критичної точки такий аустеніт зазнає евтектоїдного перлітного перетворення. Таким чином, сталь отримує структуру, що складається з виділеного на перших етапах фазової перекристалізації надлишкового фериту (в доевтектоїдної сталі) або вторинного цементиту (в заевтектоїдної) і перліту, що утворюється на завершальному етапі перетворень. На ізотермічних діаграмах розпаду переохолодженого аустеніту виділення надлишкового фериту та вторинного цементиту відбивається появою додаткових ліній, що визначають кінетику виділення цих структурних складових. При цьому зменшується стійкість переохолодженого аустеніту до розпаду лінії перлітного перетворення зміщуються на діаграмах вліво, за часом - до початку координат.

p align="justify"> Основним методом підвищення стійкості аустеніту до розпаду є легування сталі.

Легування будь-якими легуючими елементами, за винятком кобальту, збільшує стійкість переохолодженого аустніту до розпаду, зрушуючи С-подібні криві вправо. Головним чином такий вплив легуючих елементів обумовлено уповільненням дифузійних процесів при легуванні. Легуючі елементи, введені в сталь, не тільки зсувають лінії початку і кінця перлітного та бейнітного перетворення вправо вздовж тимчасової координати, але також розділяють перлітне та бейнітне перетворення на самостійні інтервали температур (рисунок 7.6).

Легування стали сильними альфа-стабілізаторами, такими, наприклад, як хром і кремній (сталі типу Х12М, 70С3), збільшує стійкість аустеніту до розпаду як в перлітній, так і особливо бейнітної температурної області. При цьому С-подібні криві, що відповідають бейнітному перетворенню, розташовуються правіше за такі ж криві для області перлітного перетворення.

Комплексне легування хромом, нікелем, молібденом або вольфрамом викликає протилежне співвідношення впливу легуючих елементів на кінетику перлітного та бейнітного перетворень. У цьому випадку (стали 40ХНМА, 5ХНВ та ін.) стійкість переохолодженого аустеніту по відношенню до перлітного перетворення значно більша, ніж до бейнітного. С-подібні криві, що відповідають розпаду на перліт, зсунуті вправо по відношенню до кінетичних кривих бейнітного перетворення (рисунок 7.6, в).Сталі, леговані цими ж компонентами, але в більшій кількості, наприклад, стали 18Х2Н4ВА, 30ХН3М2ФА та ін., характеризуються дуже великим зрушенням С-подібних кривих перлітного перетворення вправо - за межі реально реалізованих кінетичних параметрів, у зв'язку з чим, діаграма зображується без нанесення перлітної області (рисунок 7.6 г).

Такі сталі, що мають високу стійкість до розпаду аустеніту в області температур розвитку перлітного перетворення при охолодженні на повітрі майже завжди отримують бейнітну структуру. Це дозволило їх зарахувати до класу бейнітних сталей.