Равновесные микроструктурные превращения в стали

Рядовые стали

Несмотря на то, что в мире разработано и применяется большое количество сложных легированных сталей, рядовые стали (стали обыкновенного качества, обыкновенные стали) остаются, по-видимому, наиболее важными железоуглеродистыми сплавами, которые применяются в технике.

Рядовыми сталями обычно называют те железоуглеродистые сплавы, которые содержат до 2,0 % углерода. На практике большинство рядовых сталей также содержат достаточно большое количество марганца, которые остался после процесса раскисления, который проводился перед разливкой. Ниже мы будем пренебрегать влиянием этого марганца и рассматривать стали как простые железоуглеродистые сплавы.

Что делает сталь термически упрочняемой?

Известно, что чистое железо имеет при температуре ниже 910 ºС объемно-центрированную кубическую атомную структуру (ОЦК-структуру). Если нагревать железо выше этой температуры, то структура изменится на ту, которую называют гранецентрированной кубической атомной структурой (ГЦК-структурой). При охлаждении происходит обратный переход и снова образуется ОЦК-структура (рисунок 1).

Рисунок 1 – Два типа атомной структуры железа в твердом состоянии:
а – объемноцентрированная кубическая структура (ОЦК-структура)
б – гранецентрирванная кубическая структура (ГЦК-структура)

Особенность этих обратимых превращений заключается в том, что:

  • Углерод в количестве до 2,0 % может полностью растворяться в структуре ГЦК с образованием того, что называют «твердым раствором»
  • В структуре ОЦК может растворяться не более чем 0,02 % углерода.

Когда образец стали с атомной структурой ГЦК медленно охлаждается, его атомная структура меняется на ОЦК и весь растворенный в ней избыточный углерод (более 0,02 %) будет выделяться из атомной ОЦК-структуры. Если охлаждение происходит достаточно быстро, то такого выделения углерода не происходит. На этом явлении основана способность стали получать термическое упрочнение.

Аустенит, феррит и цементит

  • Аустенит – твердый раствор, который образуется при растворении атомов углерода в атомной ГЦК-структуре железа (до 2,0 % углерода). Обозначается символом «γ» («гамма»). Также обозначается и атомная ГЦК-структура чистого железа.
  • Феррит – твердый раствор, который образуется при растворении атомов углерода в атомной ОЦК-структуре железа (0,02 % углерода). Обозначается символом «α» («альфа»). Также обозначается и атомная ОЦК-структура чистого железа.
  • Цементит. Когда углерод выделяется из аустенита, это происходит не в виде элементного углерода (графита), а в виде соединения карбида железа Fe3C, которое называется цементитом. Это соединение, как и большинство других металлических карбидов, является очень твердым. Поэтому с увеличением содержания углерода (и, следовательно, цементита) твердость медленно охлажденной стали также возрастает.

Равновесная диаграмма состояния стали

Равновесная диаграмма состояния (диаграмма состояния, фазовая диаграмма) стали на рисунке 2 показывает температуры, при которых превращения начинаются и заканчиваются для любого твердого раствора углерода (аустенита) с ОЦК-атомной структурой и железа с атомной ГЦК-структурой. На рисунке 2 показана только часть общей фазовой диаграммы железо-углерод. Именно она является очень полезной при рассмотрении термической обработки сталей.


Рисунок 2 – Левая часть равновесной диаграммы состояния железо-углерод [1]

На самом левом краю этой диаграммы есть область, которая обозначена «ferrite» (феррит). Она указывает интервалы температуры и химического состава, внутри которых углерод может растворяться в ОЦК-структуре α-железа:

  • Слева от наклонной линии АВ весь «наличный» углерод растворен в ОЦК-структуре железа с образованием феррита в состоянии твердого раствора.
  • Любая точка справа от линии АВ, представляющая химический состав (содержание углерода) и температуру, указывает, что твердый раствор α является насыщенным, поэтому избыточный углерод (неспособный раствориться) будет присутствовать в виде цементита.
  • Наклон линии АВ указывает на то, что растворимость углерода в ОЦК-структуре железа возрастает от 0,006 % при комнатной температуре до 0,02 % при температуре 723 ºС.

Микроструктурные превращения в стали

Будем рассматривать превращения, которые происходят в структуре трех характерных видов стали. Все эти стали были нагреты до температуры, которая достаточна, чтобы они стали аустенитными и затем их медленно охлаждали.

Превращения в стали с содержанием углерода 0,40 %

  • Если сталь, содержащую 0,40 % углерода, нагревают до некоторой температуры выше U1 она переходит в полностью аустенитное состояние (рисунок 2 (i)). Температура U1 называется «верхней критической температурой» стали.
  • При охлаждении чуть ниже температуры U1 атомная структура начинает  меняться от ГЦК к ОЦК.
  • Как следствие, из аустенита начинают выделяться малые кристаллы (зерна) железа с ОЦК-структурой. Эти кристаллы с ОЦК-структурой (рисунок 2 (ii)) содержат небольшое количество углерода (менее 0,02 %) – это кристаллы феррита.
  • С дальнейшим падением температуры зерна феррита растут в размерах за счет аустенита (рисунок 2 (iii)). Поскольку феррит практически является чистым железом, то отсюда следует, что подавляющая часть углерода собирается в этих сокращающихся зернах аустенита.
  • Когда образец стали достигает температуры L1, он состоит примерно на половину из феррита (содержащего 0,02 % углерода) и на половину из аустенита (содержащего 0,8 % углерода). Температура L1 называется нижней критической точкой.
  • Состав аустенита на этом этапе соответствует точке Е на диаграмме состояния. При этой температуре (723 ºС) аустенит может содержать в твердом растворе не более 0,8 % углерода. Поэтому, когда температура продолжает падать, углерод начинает выделяться в виде цементита. В тоже время отдельные участки феррита  остаются разделенными между собой, а на месте оставшегося аустенита образуется пластинчатая  структура из чередующихся пластин феррита цементита (рисунок 2 (iv)).

Перлит

Эта пластинчатая структура из феррита и цементита содержит в точности 0,8 % углерода и занимает примерно половину объема для стали с содержанием 0,4 %. Это – пример того, что в металлургии называется «эвтектоидом». В стали этот эвтектоид называется перлитом. Дело в том, что на травленой поверхности стали он действует как «дифракционная решетка», которая разбивает белый свет на составляющие компоненты его спектра, что дает этой поверхности перламутровый вид.  Чтобы увидеть эти перемежающиеся пластины феррита и цементита, из которых состоит перлит, нужно увеличение не менее 500.

Превращения в доэвтектоидных сталях

Сталь, которая содержит менее 0,8 % углерода, называется доэвтектоидной сталью. Такие стали превращаются из аустенита в смесь феррита и перлита при охлаждении из аустенитного состояния аналогично рассмотренной выше стали с содержанием углерода 0,4 %:

  • Превращения начинаются в соответствующей верхней критической температуре в точке на линии СЕ фазовой диаграммы. Положение этой точки зависит от состава стали (содержания углерода).
  • Превращения заканчиваются при нижней критической температуре 723 ºС.
  • Относительное количество феррита и перлита зависит от содержания углерода в стали (рисунок 2), но в любом случае феррит будет почти чистым железом, а перлит будет содержать в точности 0,8 % углерода.

Превращения в эвтектоидной стали

Сталь с содержанием 0,8 % углерода называется эвтектоидной сталью.

  • При охлаждении этой стали превращения из аустенита не начинаются, пока не сталь не достигнет точки Е на равновесной диаграмме (рисунок 2).
  • Затем превращение начинается и заканчивается при одной и той же температуре 723 ºС.
  • Поскольку эта сталь содержит 0,8 % углерода, то это означает, что конечная структура будет полностью перлитной (рисунок 2 (vi)).

Превращения в заэвтектоидных сталях

Стали, которые содержат более 0,8 % углерода, называются заэвтектоидными:

  • Сталь, которая содержит, скажем, 1,2 % углерода будет начинать превращаться из аустенита, когда температура упадет до нижней критической в точке U2.
  • Поскольку углерод в это время присутствует в стали в избытке по отношению к эвтектоидному составу, то он будет выделяться первым. Это будет не чистый углерод, а игольчатые по форме кристаллы цементита по границам аустенитных зерен (рисунок 2 (viii)).
  • При охлаждении стали от точки U2 до температуры 723 ºС аустенит постепенно теряет углерод и при температуре 723 ºС оставшийся аустент содержит только 0,8 % углерода. Этот оставшийся аустенит затем весь превращается в перлит (рисунок 2 (x), как и в случае доэвтектоидных и эвтектоидных сталей.

Первичный феррит и первичный цементит

Любая сталь, которая содержит более 0,8 % углерода, если ей позволить медленно охлаждаться из аустенитного состояния, будет иметь микроструктуру, состоящую из цементита и перлита. Перлитная часть микроструктуры всегда содержит чередующиеся слои феррита и цементита в «правильных» пропорциях, которые обеспечивают для перлита общее содержание углерода 0,8 %. Отсюда следует, что любое изменение общего содержания углерода в стали свыше 0,8 % приводит к соответствующему изменению содержания первичного цементита. Термины «первичный цементит» и «первичный феррит» применяются для обозначения цементита или феррита, которые выделяются первыми до того, как остаточный аустенит превращается в перлит.

Неравновесное мартенситное превращение

Выше мы имели дело только с теми типами структур в рядовых сталях, которые образуются при их медленном охлаждении из аустенитного состояния. Такие условия характерны для таких промышленных процессов термической обработки стали как нормализация и отжиг. При очень быстром охлаждении стали из аустенитного состояния, которое происходит, например, про водяной закалке, образуется другая структура, которую называют мартенсит. Эта структура отсутствует на равновесной диаграмме, так как она не является равновесной структурой. Быстрое охлаждение исключает достижение равновесного состояния.

Мартенсит является очень твердым. К сожалению, мартенсит также является довольно хрупким. Поэтому сталь в таком состоянии применяют только, если требуется очень высокая твердость. Чтобы увеличить вязкость стали после закалки (за счет снижения твердости) сталь подвергают отпуску. Степень модификации мартенситной структуры зависит от температуры отпуска. Температура отпуска может варьироваться от 250 до 650 ºС в зависимости от требуемой комбинации механических свойств в готовом изделии. При любой применяемой температуре отпуск помогает микроструктуре в определенной мере вернуться к равновесному состоянию путем выделения микроскопических частиц цементита.

Источник:

  1. Engineering Metallurgy – Part I – Applied Physical Metallurgy / R. A. Higgins – 6thed. – 1999