Превращение аустенита в перлит

Изотермическое превращение аустенита

Когда содержание углерода в железоуглеродистом сплаве составляет 0,77 %, он при медленном охлаждении превращается в эвтектоидную структуру, которая называется перлитом.  На практике стали почти всегда охлаждаются так, что температура падает непрерывно. Так, отожженные стали медленно охлаждаются вместе с печью после того как она выключается, а нормализованная сталь охлаждается путем извлечении нагретого металла из печи и затем охлаждения его на воздухе. При непрерывном падении температуры характер реакции меняется с понижением температуры. Это изменение особенно заметно, когда скорость охлаждения является относительно высокой. При этом результирующую микроструктуру очень трудно анализировать. Намного более понятные образцы получаются, когда аустениту дают возможность превращаться при постоянной температуре. Действительно изотермическое превращение возможно потому, что при этом участвует относительно малое количество тепла превращения – обычно около 4,2 джоулей на моль, что составляет четверть от скрытого тепла плавления. Кроме того, применение малых образцов и относительно медленные скорости реакции, которые происходят при распаде аустенита, дают возможность отводить тепло превращения достаточно быстро, чтобы предотвратить заметное повышение температуры.

Диаграмма железо-углерод

На рисунке 2 представлена увеличенная часть диаграммы железо-углерод, содержащая эвтектоидную точку. Если аустениту позволить превращаться изотермически при температуре чуть ниже 727 ºС, то продукт реакции является точно таким, как предсказывает диаграмма железо-углерод для очень медленного, плавного процесса охлаждения.  Как можно видеть на рисунке 1 стабильными фазами ниже эвтектоидной температуры являются феррит и цементит, а эвтектоидная структура является смесью этих фаз.  Эта структура называется перлитом и состоит из перемежающихся пластин цементита (Fe3C) и феррита, причем феррит является непрерывной фазой.

Рисунок 1 – Эвтектоидная часть диаграммы железо-углерод [1]

Экспериментальное изучение изотермического распада аустенита

На рисунке 2 показано простой экспериментальный метод изучения изотермических превращений аустенита.  Из диаграммы рисунка 1 можно видеть, что сталь эвтектоидного состава является аустенитной при температурах выше 727 ºС. Поэтому, если малую печь, включающую тигель с расплавленной солевой смесью держать при температуре 730 ºС, то образцы эвтектоидного состава, помещенные в эту ванну, могут поддерживаться в аустенитной фазе и при температуре немного выше той, при которой они подвергаются эвтектоидной реакции. Эта печь показана слева на рисунке 2.  Справа от нее находится аналогичная печь, которая также содержит солевую ванну, но поддерживает ее при температуре ниже 727 ºС.

Рисунок 2 – Схема лабораторного оборудования для изучения изотермических превращений аустенита [1]

В экспериментах такого рода удобно применять образцы в форме плоских дисков размером с монетой в один цент. Для перемещения образца из печи в печь применяют короткую ручку из теплостойкой проволоки. Образцы металла такого размера при помещении в жидкую солевую ванну очень быстро принимают температуру ванны. Следовательно, если образец, который первоначально находится в левой печи быстро извлечь из нее и перенести в печь справа от нее, то мы можем предполагать, что его температура меняется мгновенно от температуры чуть выше эвтектоидной температуры до температуры чуть ниже ее. Поскольку аустенит при температуре ниже 727 ºС  не является больше устойчивым, то способен распадаться на другие фазы. Если эта реакция в твердом состоянии происходит при температурах не слишком далеко ниже эвтектоидной температуры, то она происходит по механизмам зарождения и роста и поэтому зависит от времени.

Изотермический распад аустенита обычно изучают с помощью нескольких образцов (обычно около десяти), все из которых охлаждаются одновременно с верхней температуры до нижней температуры. Каждый образец затем извлекается из второй ванны с увеличением интервала времени (обычно измеряемого по логарифмической шкале) и быстро охлаждают до комнатной температуры путем охлаждения их в ванне с холодной водой.

Это последнее охлаждение эффективно останавливает изотермическую реакцию и весь аустенит, который еще не превратился прямо в момент этой закалки подвергается превращению  в мартенсит, как только образец достигнет комнатной температуры. К счастью мартенсит стали имеет под микроскопом совершенно другой вид в отличие от продуктов высокотемпературного распада аустенита. После соответствующей полировки и травления образцы можно изучать металлографически и определять количество продуктов изотермического распада аустенита для каждого случая.

Перлитная структура

Пример перлитной структуры показан на рисунке 3. Перлит является не фазой, а смесью двух фаз – цементита и феррита. Тем не менее, перлит является единой составляющей микроструктуры, так имеет хорошо узнаваемый внешний вид под микроскопом и его легко отличить от других компонентов микроструктуры (рисунок 4).


Рисунок 3 – Перлит состоит из пластин цементита в матрице феррита [1]

Рисунок 4 – Перлит в доэвтектоидных сталях (черные участки, белые участки – свободный феррит) [1]

Численные соотношения в перлите

Когда аустенит эвтектоидного состава реагирует с образованием перлита, то эти две фазы – цементит и феррит – возникают в определенном отношении. Это отношение легко вычисляется с применением правила рычага в предположении, что феррит не содержит углерода:

Доля феррита = (6,67-0,77) / 6,67 ≈ 88 %

Доля цементита = 0,77/6,67 ≈ 12 %

Поскольку плотности феррита и цементита приблизительно равны (7,86 и 7,4, соответственно), то толщины пластин феррита и цементита имеют соотношение 7 к 1.

Зарождение и рост перлита

Распад аустенита с образованием перлита происходит по механизму зарождения и роста. Зарождение происходит гетерогенно. Если аустенит является гомогенным, то зарождение происходит почти исключительно на границах зерен. Перлитные колонии обычно растут в только одну или две перлитные колонии на границе. Когда аустенит не является гомогенным, но имеет концентрационные градиенты и содержит остаточные железокарбидные частицы, то зарождение перлита может происходить как на границах зерен, так и середине аустенитных зерен.

Скорость зарождения – это количество зародышей, которое образуется в единице объема (обычно кубическом миллиметре) в секунду. В отличие от изотермической скорости роста, изотермическая скорость зарождения является функцией времени (рисунок 5).

Рисунок 5 – Скорость зарождение перлита (N) как функция времени [1]

Фактическое зарождение перлитной колонии в нелегированных железоуглеродистых сталях практически невозможно наблюдать. Это происходит потому, что эта реакция происходит при высоких температурах и обычно полностью завершается к моменту охлаждения стали до комнатной температуры, когда она могла бы удобно наблюдаться.

Источник:

  1. Physical Metallurgy Principles, Fourth Edition / Reza Abbaschian, Lara Abbaschian, Robert E. Reed-Hill – 2009