Перлитное превращение
Перлитное превращение аустенита происходит при фазовом превращении гамма-железа – аустенита в альфа-железо – феррит. Однако превращение гранецентрированной решетки аустенита в объемноцентрированную решетку феррита не может произойти немедленно из-за присутствия в аустените растворенного углерода. Аустенитная атомная решетка имеет достаточно места для чтобы принять углерод в центре своей атомной ячейки. У объемноцентрированной решетки феррита такого места нет – там уже «сидит» атом железа. По этой причине при переходе аустенита в феррит растворимость углерода в железе резко снижается.
Механизмы перлитного превращения
В ходе превращения гамма-железа в альфа-железо почти весь углерод выделяется из аустенитной решетки. Согласно метастабильной диаграмме состояния железо-углерод почти весь углерод при этом выделяется в виде карбида железа (цементита). Это перлитное превращение аустенита может быть расписано в виде трех взаимосвязанных процессов:
- Превращение гамма-решетки железа в альфа-решетку.
- Выделение углерода в виде карбида железа (цементита).
- Коагуляция карбидов.
При температуре точки А1 первые два процесса проходят почти одновременно с формированием пластинчатой смеси феррита и цементита.
Перлитное превращение аустенита как диффузионная кристаллизация
Атомы растворенного углерода размещаются по решетке случайным образом. Поэтому цементит зарождается в областях богатых углеродом, а феррит – в областях обедненных углеродом, которые имеют мало углерода или не имеют его совсем. Такое перераспределение углерода реализуется через диффузию и зависит от температуры и времени.
Скорость диффузии углерода в решетке гамма- и альфа-железа очень быстро снижается с уменьшением температуры. Поэтому при достаточно высокой скорости охлаждения достигается такая степень переохлаждения аустенита, что образование перлита – сугубо диффузионного процесса – становится невозможным.
Три типа превращения аустенита
При относительно низких температурах механизм превращения и характер формируемой структуры зависят только от температуры, при которой это превращение происходит. В зависимости от степени переохлаждения выделяют три температурных интервала:
- перлитный интервал;
- промежуточный интервал;
- мартенситный интервал.
Переход от одного механизма превращения аустенита к другому происходит плавно и непрерывно. Эти процессы сильно зависят от содержания легирующих элементов, особенно углерода. Они могут начинаться по самому быстрому механизму, а заканчиваться самым медленным.
Для перлитного превращения характерно одновременное формирование смеси чередующихся пластин феррита и цементита – перлитной структуры. При этом по границам аустенитных зерен может выделяться свободный феррит и цементит. Формирование и рост обеих фаз контролируются в основном диффузией углерода – поэтому этот процесс называют диффузионной кристаллизацией. Диффузия железа и легирующих элементов также играют значительную роль. Со снижением температуры происходит увеличение дисперсности структуры, а время, необходимое для завершения диффузионной кристаллизации феррита и карбида увеличивается.