Микроструктура углеродистых сталей в равновесном состоянии

Сплавы достигают равновесного состояния, т.е. минимума свободной энергии, в случае кристаллизации при очень медленном охлаждении - не более 1 °С/ч. Представление о микроструктуре железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов – в равновесном состоянии дает диаграмма железо–цементит. Рассмотрим кристаллизацию доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сплавов.

Кристаллизация доэвтектоидной стали. На рисунке 2 изображен стальной участок диаграммы Fе – С и пространственная кривая охлаждения сплава К – доэвтектоидной стали, содержащей 0,63 % С. Кривая охлаждения m –1–2–3–4_Н–4_К и ниже построена по критическим точкам сплава К. На ней построена пространственная кривая охлаждения; границы фазовых областей нанесены с использованием правила отрезков.

 

Рисунок 2 – Пространственная кривая охлаждения

доэвтектоидной стали.

 

При температуре точки m сплав находится в жидком перегретом состоянии. Охлаждаясь, он остается жидким до точки 1. В точке 1 (ликвидус) из жидкого сплава (Ж) выпадает первый кристалл аустенита (А). По мере снижения температуры происходит выпадение новых и рост ранее выпавших кристаллов.

Участок 1–2 пространственной кривой линией 1– у делится на две области: аустенита и жидкости. С понижением температуры количество аустенита растет, а жидкости – соответственно уменьшается. Например, при температуре t ₁количество аустенита в сплаве определяется отрезком а – в, а оставшегося жидкого сплава – отрезком в – с. С изменением температуры величина отрезков, а следовательно, весовое соотношение твердой и жидкой фазы в сплаве изменяется. В точке 2 последняя капля жидкости превращается в аустенит. Структура сплава при t ₁представляет собой жидкость, в которой плавают кристаллы аустенита. Таким образом, в точке 2 (солидус) заканчивается первичная кристаллизация: весь сплав затвердел, превратившись в аустенит.

От точки 2 до точки 3в сплаве изменения не происходят. Структура сплава – сросшиеся между собой зерна аустенита. Аналогичная однофазная структура будет при любой температуре в интервале точек 2–3.

В интервале точек 3–4_К начинается и завершается вторичная кристаллизация. В точке 3 из аустенита выпадает первый кристалл феррита (Ф). По мере охлаждения выпадают новые кристаллы феррита, а ранее выпавшие растут. Участок 3-4_Н пространственной кривой линией 3- l делится на две области: феррита и аустенита. С понижением температуры количество феррита увеличивается, а аустенита – уменьшается. При температуре t ₃ количество выпавшего феррита определяется отрезком f - g, а оставшегося аустенита – отрезком g - h. Структура сплава при температуре t ₁ представляет зерна аустенита, по границам которых в виде прослоек расположен феррит. Аналогичная структура будет и при других температурах, только соотношение феррита и аустенита получится иное, так как по мере перехода от точки 3 к точке 4_Н количество феррита в структуре непрерывно увеличивается.

В точке. 4_Н (727 °С) сплав состоит из феррита и аустенита. Количество феррита соответствует отрезку 4_Н- l, а аустенита – отрезку l - к. При этом в аустените содержится 0,8 % С. Обогащение аустенита углеродом произошло вследствие выпадения феррита, который по своей природе беден углеродом.

В точке 4_Н начинается эвтектоидное превращение: оставшийся аустенит (содержащий 0,8 % С) начинает превращаться в перлит (эвтектоид). Превращение заканчивается в точке 4_К, когда последний кристалл аустенита превратится в перлит (П). Эвтектоидное превращение протекает при постоянной температуре, равной 727 °С.

Участок 4_Н-4_К пространственной кривой линиями l - d и l - е делится на три области: феррита (постоянная по ширине), перлита (расширяющаяся) и аустенита (сужающаяся). Следовательно, при движении от точки 4_Н к 4_К количество аустенита уменьшается, перлита – увеличивается, а феррита – остается постоянным. В момент времени w количество Ф в сплаве пропорционально отрезку w - n, перлита – отрезку n - о и оставшегося аустенита – отрезку о - р. Структура сплава: зерна аустенита, окруженные каймой перлита, между которыми расположены прослойки феррита, выпавшего в интервале точек 3-4_Н. Аналогичную структуру, только с различным количественным соотношением аустенита и перлита, сплав будет иметь на всем участке 4_Н-4_К.

В точке 4_К последний кристалл аустенита превращается в перлит. В этой точке количество феррита определяется величиной отрезка 4_К- d, а перлита – отрезком d - е. В точке 4_К заканчивается вторичная кристаллизация. Ниже точки 4_К превращений в сплаве нет.

Участок пространственной кривой ниже точки 4_К линией d - z делится на две постоянные по ширине области: феррита и перлита. Сбоку кривой для температуры t ₄ показана структура сплава: зерна перлита, разобщенные ферритными прослойками, образующими в плоскости шлифа сетку. Количество феррита определяется отрезком r - u, перлита – u - х.

Кристаллизация эвтектоидной стали. На рисунке 3 показана пространственная кривая охлаждения эвтектоидной стали (0,8 % С) в сочетании с диаграммой Fе–С. От точки m до точки 1 сплав остается жидким (Ж).

 

Рисунок 3 – Пространственная кривая охлаждения эвтектоидной стали

В точке 1 (ликвидус) начинается, а в точке 2 (солидус) заканчивается первичная кристаллизация. В точке 1 из жидкого сплава выделяется первый кристалл аустенита, а в точке 2 – последняя капля жидкости превращается в аустенит. Структура сплава при температуре t ₁: кристаллы аустенита плавают в жидкости. От точки 2 до точки 3_Н в сплаве изменений нет. Структура сплава при температуре t ₂ – сросшиеся между собой зерна аустенита. В точке 3_Н начинается эвтектоидное превращение: переход аустенита в перлит. В точке 3_К это превращение заканчивается – последний кристалл аустенита превращается в перлит, Структура в момент w представляет зерна аустенита, окруженные перлитом. Ниже точки 3_К превращений в сплаве не происходит. Структура сплава при температуре t ₃ представляет зерна перлита, сросшиеся между собой.

Кристаллизация заэвтектоидной стали. Процесс кристаллизации заэвтектоидной стали показан на рисунке 4.

Однако диаграмма не дает прямого ответа о форме зёрен, составляющих структуру, и как они расположены друг относительно друга. На этот вопрос отвечает металлографическое исследование. Необходимо из сплава изготовить микрошлиф и выполнить по нему на металлографическом микроскопе микроструктурный анализ. Современные оптические металлографические микроскопы (МИМ-7 и МИМ-8) позволяют сфотографировать при различных увеличениях микроструктуру любого участка микрошлифа. В некоторых случаях, например, при предварительном микроисследовании, в учебных целях, ограничиваются зарисовкой наблюдаемой микроструктуры. На рисунке 5 приведены зарисованные микроструктуры различных сплавов при комнатной температуре.

Рисунок 4 – Пространственная кривая охлаждения заэвтектоидной стали

(приводится для самостоятельного изучения)

Микроструктура сплава а (техническое железо) представляет собой зерна феррита, по границам которых в виде прослоек располагается третичный цементит Ц ₃ (см. рисунок 5, а).

 

 

Рисунок 5 –. Микроструктура углеродистых сталей:а – 0,01 % C (техническое железо); б – 0,1 % C; в – 0,2 % C; г – 0,5 % C; д–0,7 % C (ферритная сетка); е – 0,8 % C; ж – 1,2 % C (пластинчатый перлит, избыточный цементит в виде цементитной сетки); з – 1,2 % C (зернистый перлит, избыточный цементит в виде отдельных зерен), F _П – площадь перлитной составляющей, %

Концентрация углерода в зернах феррита соответствует точке Q (см. рисунок 1). Третичный цементит выпал после ее пересечения линии PQ. Последняя показывает растворимость углерода в феррите при различных температурах. Например, при 727 °C растворимость углерода в феррите соответствует точке P (0,025 %), а при нулевой температуре – точке Q (0,005 %).

Некоторые травители окрашивают цементит в черный цвет. Травление микрошлифа 3-4 %-ным раствором азотной кислоты в спирте (наиболее употребительный реактив для травления сталей и чугунов) не окрашивает цементит, он остается светлым и структурно под микроскопом (на микрофотографии) не дифференцируется, сливаясь со светлыми зернами феррита.

В структуре доэвтектоидных сталей марок 10, 20 и 50 (рисунок 5, б, в, г) наблюдаются темные зерна пластинчатого перлита и светлые зерна феррита. С повышением содержания углерода микроструктура темнеет, так как возрастает площадь перлитной составляющей F _П, а феррита становится меньше. При содержании 0,6–0,7 % C феррит выделяется не в виде отдельных зерен, а оторочкой вокруг зерен перлита и наблюдается в плоскости шлифа как ферритная сетка, неравномерная по толщине (см. рисунок 5, д).

У эвтектоидной стали (0,8 % C) микроструктура становится совсем темной, поскольку состоит только из зерен пластинчатого перлита (перлитных колоний), сросшихся между собой (см. рисунок 5, е). По ориентировке пластин различают зерна (колонии) перлита.

Микроструктура заэвтектоидной стали (см. рисунок 5, ж) представляет зерна пластинчатого перлита, разобщенные прослойками избыточного вторичного цементита, которые в совокупности образуют в плоскости шлифа цементитную (карбидную) сетку . Вторичный цементит выпал как избыточная фаза в интервале точек 3–4 (см. рисунок 4) из зерен аустенита, образовав вокруг них сплошную оболочку (рубашку).

Цементитная сетка и пластинчатый перлит неблагоприятно влияют на механические и технологические свойства: снижается ударная вязкость и ухудшается обрабатываемость резанием. Наилучшей структурой заэвтектоидной стали является зернистый перлит и разорванная цементитная сетка. Такую структуру получают, подвергая сталь, в структуре которой имеется цементитная сетка, вначале нормализации, а затем отжигу на зернистый перлит (сферотизация).

При нормализации избыточный вторичный цементит выпадает не в виде сетки, а в виде отдельных включений . В процессе сферотизирующего отжига пластинчатый цементит перлита коагулирует, превращаясь в мелкие зерна , которые в совокупности с окружающим их ферритом образуют зернистый перлит П^зерн (см. рисунок 5, з).

По микроструктуре можно определить содержание углерода в стали. Например, в доэвтектоидных сталях содержание углерода C, %, определяется по площади перлитной составляющей F _П:

 

C = F _П 0,8 / 100.