Главная | Обратная связь

Евтектоїдне перетворення в сталі

Розглянемо докладніше процес утворення перліту в сталі. Перліт є продуктом эвтектоидпого перетворення аустеніту. У результаті эвтектоидного перетворення утворяться дві фази, що різко відрізняються по складу від вихідної фази (аустеніту): феррит містить 0,025 % С, концентрація вуглецю в цементиті 6,67%С-тоді як в аустеніті міститься 0,8 % С. Виходить, у міру розвитку эвтектоидпого перетворення повинне пройти перерозподіл атомів вуглецю, що міститься в аустеніті, між феритом і цементитом.Отже, эвтектоидное перетворення— це дифузійне перетворення.

Евтектоїдне перетворення має загальні риси з евтектичесчим, хоча на відміну від евтектичного воно відбувається у твердому стані. Евтектоїдне перетворення підчиняється загальним законам кристалізації і відбувається шляхом утворення центрів кристалізації феррита і цементиту і росту кристалів цих фаз.

Полегшуючою умовою утворення центрів кристалізації ферита і цементиту при евтектоїдном перетворенні є наявність у вихідній фазі (аустеніті) концентраційних неоднородностей (флуктуації) у прерозподілі вуглецю.

 

Рис 134.Схема утворення перлиту

 

 

Як і у випадку эвтектической кристалізації ін эвтектоидном перетворенні центри кристалізації фер рита і цементиту виникають неодночасно, одна з фа є ведучої.

В умовах, близьких до рівноважних, тобто при повільний ном охолодженні стали, що веде фазою при эвтектоидно: перетворенні є цементит. Центри цементиту виникають переважно в границь аустенітних зере: і ростуть у формі тонких пластин у глиб зерен (див. схему мал. 134). Для росту центра кристалізації цементит; потрібно дифузія до нього вуглецю із сусідніх участ ков аустеніту. У результаті аустеннт, що оточує мулу стинку цементиту, збіднюється вуглецем і створюються умови для його перекристалізації у феррит. І тогдг по обох сторони від цементитной пластинки виникають і ростуть пластинки феррита (на мал. 134, б, у показана одна з них). Ріст феритной пластинки приводить до витиснення вуглецю в сусідні ділянки аустеніту, і на цих ділянках з нього виділяється цементит. Попеременное утворення пластин феррита і цементиту супроводжується подовжнім ростом цих пластин і приводить до формування перлітної колонії з однаково орієнтованими пластинками феррита і цементиту. Перлитну колонію називають також перлітним зерном. Поверхня перлітного зерна сама стає границею, від якої починається формування іншого.

¹ Характерною рисою перлітного перетворення є спільний (кооперативний) ріст пластин феррита і цементиту в подовжньому напрямку. Умови для такого росту забезпечуються перерозподілом вуглецю в аустеннте перед торцями зростаючих пластин. Дифузія вуглецю відбувається в напрямку від торця ферритной пластинки до торця цементитной пластинки. Це сприяє одночасному росту пластин обох фаз.

перлітного зерна (мал. 134, г). Таким чином, у межах одного аустенітного зерна можуть утворитися кілька перлітних зерен (мал. 134, д).

Товщина пластин ферита і цементиту в перліті не однакова. Пластинки феррита в середньому в 7,5 рази товще пластинок цементиту¹. Важливою характеристикою перліту служить межпластиночное відстань. Воно дорівнює сумарній товщині сусідніх пластин феррита і чи цементиту відстані між найближчими пластинками однієї з фаз. В умовах повільного охолодження утвориться крупнопластинчатый перліт з межпластиночным відстанню ~ 1—0,5 мкм. При прискореному охолодженні утвориться більш тонкопластиичатый перліт². Пластинки феррита і цементиту в такому перліті можна побачити тільки під електронним мікроскопом. Зі зменшенням товщини пластин перліту збільшуються твердість і міцність стали. Змінюючи швидкість охолодження, можна одержати перліт різної дисперсності і, таким чином, регулювати властивості сталі.

Утворення квазиевтектоїдних структур

Евтектоїдна структура — перліт утвориться відповідно до діаграми стану Fe—Fe₃C з аустеніта евтектоїдної концентрації (0,8%С). Як наслідок, сумарна концентрація вуглецю в нвтектоїді також повинна бути дорівнює 0,8 %. Однак у доевтектоїдних і заевтектоїдних сталях можливе утворення евтектоїда зміненого складу з концентрацією вуглецю, не рівної 0,8 %. Такий эвтектоид з концентрацією вуглецю більшої чи менший, чим 0,8 %.

¹Кількісне співвідношення ферита і цементиту в перліті
може бути визначене за правилом відрізків (див. діаграму стану
Fe-Fe₃C):

Qф/Qц = SK/SP = (6,67 — 0,8)/(0,8 — 0,025) = 7,5 (45)

де Qф — кількість (маса) ферита, Qц — кількість (маса) цементиту. Щільність феррита і цементиту приблизно однакова, тому можна вважати, що співвідношення обсягів феррита і цементиту таке ж, як і співвідношення мас. Це значить, що при інших однакових розмірах (довжині і ширині) товщина пластинки цементиту в 7,5 рази більше, ніж цементиту.

² З збільшенням швидкості охолодження збільшується ступінь
переохолодження аустеніту щодо рівноважної температури
перетворення. Эвтектоидное перетворення відбувається при більш низ­
ких температурах в утруднених для дифузії умовах. Ніж тонше
пластинки феррита і цементиту в перліті, тим коротше шляху дифузії
атомів, тим легше протікає перетворення.

 

Рис 135 Зміни концентрації вуглецю в квазиевтектики

називається квазиевтектоїдом. Структура, у яку входить квазиевтектоїд, називається і квазиевтектоїдной структурою.

Утворення квазнэвтектонда можна пояснити прикладі доевтектоїдної сталї. При повільному охлажднні доевтектоїдної стали з аустенітного стану проходять два перетворення. Перше — це перекристалізація чи поліморфне перетворення аустеніту у ферит у результаті якої утворяться самостійні зерна ферита. Відповідно до діаграми Fe-Fe₃C перше перетворення протікає в інтервалі температур А₃—А₁, (див. мал. 131). Друге перетворення — це евтектоидний роз пад аустеніту з концентрацією вуглецю 0,8 % при температуре А₁.

Прискорене охолодження сприяє переохолодженню: аустеніту, у результаті обоє перетворення зміщають в область більш низьких температур, при яких дифузія затруднена. В умовах переохолодження перетворений аустеніта у ферит починається при температурах нижче і продовжується при температурах нижче А₁. З пониженням температури швидкість цього перетворення зменшуєте тому що для його розвитку потрібно дифузія атомів і значні відстані.

При температурах нижче А₁ стає можливим також евтектоїдне перетворення переохолодженого aycтеніта. Кристали ферита і цементиту у формі пластин в евтектоїді ростуть спільно. Для їхнього росту не вимагаєте дифузії атомів на значну відстань. З збільшеннямм ступеня переохолодження товщина пластин ферита і цементиту зменшується, шлях дифузії скорочуються Тому евтектондне перетворення в умовах переохолодження протікає швидше, ніж перетворення аустеніта у ферит.

При температурах нижче А₁ хід перетворення визначається співвідношенням швидкостей першого і другого перетворення. Оскільки надлишковий ферит виділяється повільно, те ще до завершення цього перетворення починається евтектоїдний розпад аустеніта, концентрація вуглецю в який виявляється менше 0,8 %. По мірі збільшення ступеня переохолодження аустеніту відбувається поступове зменшення кількості самостійно виділившогося ферита. При визначенній температурі (~ 550 °С) замість послідовно розвиваються двох процесів здійснюється тільки один — евтектоїдне перетворення і тоді в доевтектоїдной сталі утвориться тільки евтектоїд, точніше квазиевтектоїд.

У заевтектоїдних сталях эвтектоидному перетворенню передує виділення з аустеніту атомів вуглецю, унаслідок чого утвориться высоко-углеродистая фаза — цементит, при прискореному охолодженні кількість цементиту, що виділився,

зменшується, аустеннт із концентрацією вуглецю більше 0,8 % перетворюється в квазиевтектоїд. Отже, квазиевтектоїд заевтектоїдної сталі містить вуглецю більше 0,8 %.

На відміну від евтектоїда (перліту), у якому концентрація вуглецю постійна і дорівнює 0,8 %, вміст вуглецю в квазиевтектоїде може мінятися в досить широких межах, як це схематично показано на мал. 135 (див. заштриховану область). Якщо аустеніт неэвтектоидной концентрації в результаті переохолодження попадає в заштриховану область, то без попереднього виділення надлишкового ферита (доевтектоїдная сталь) чи цементиту (заевтектоїдна сталь) він перетворюється в квазиевтектоїд. Таким чином, цілком евтектоидна (квазиевтектоїдна) структура може виходити не тільки в сталі зі вмістом вуглецю 0,8 %, але й в інших сталях з великим чи меншим вмістом вуглецю. Зміна структури стали в порівнянні з рівноважної приводить до зміни її властивостей. При термічній обробці використовують здатність сталей до утворення квазиэвтектоидных структур для одержання необхідних властивостей.

Права частина діаграми стану Fe-Fe₃C (білі чавуни)

Ця частина діаграми представлена на мал. 136. Права частина діаграми стану, що включає сплави зі змістом вуглецю більш 2,14 %, характерна тим, що сплави зазначених концентрацій перетерплюють евтектичесну кристалізацію при эвтектической температурі 1147 °С по евтектичні горизонталі ECF.

При 1147°С рідкий сплав (Ж.с) складу, що відповідає точці (4,3 %), кристалізується з утворенням эвтектической суміші кристалів аустеннта (А), концентрації 2,14 % С і цементиту (Ц), що одержала назва ледебурит ¹. Ведучою фазою при кристалізації эвтектики є цементит, тому в деяких випадках цю эвтектику називають цементитной. Отже, при 1147 ⁰С йде перетворення:

Ж.с _4.3→А_2.14+Ц_е (46)

Сплави зі змістом вуглецю більш 2,14%, у яких кристалізація відбувається з утворенням эвтектики (ледебуриту), називаються білими чу гунам і.

Білими чавунами називаються тому, що практично весь вуглець знаходиться в них у зв'язаному стані, тобто у виді з'єднання Fe₃C і злам таких чавунів світлий блискучий (білий злам).

Білі чавуни в залежності від змісту вуглецю поділяють на доевтектичні зі змістом вуглецю до 4,3 % евтектичні зі змістом вуглецю 4,3 % і заевтектичні зі змістом вуглецю більш 4,3 %.