6.5 Формирование структуры сталей

Кристаллизация сталей (сплавы 2 - 6) может проходить в один (сплавы 5, 6), два (сплав 3) либо три (сплавы 2, 4) этапа. Кристаллизация сплавов 2 - 4 начинается с образования кристаллов -феррита. Состав этих кристаллов во время охлаждения изменяется в соответствии с наклоном линии АН, а состав жидкости - в соответствии с наклоном линии АВ. При температуре линии НJB во всех случаях жидкость принимает концентрацию точки В, а кристаллы - точки Н.

В условиях небольшого переохлаждения относительно линии НJB начинается перитектическая кристаллизация, в результате которой за счет взаимодействия кристаллов -феррита и жидкости образовываются кристаллы аустенита. Перитектическая кристаллизация протекает при постоянной температуре. В зависимости от состава стали перитектическая кристаллизация может завершиться полным исчезновением фаз, которые существовали раньше (сплав 3), либо сохраняется избыток -феррита (сплав 2 ) или жидкости (сплав 4). В последнем случая имеет место третий этап кристаллизации, во время которого в температурном интервале между линиями НJB и JE кристаллизуется аустенит.

В сплавах 5, 6 кристаллизация происходит в температурном интервале между линиями ВC и JE. Образовываются кристаллы аустенита. Во время кристаллизации химический состав кристаллов и жидкости изменяется в соответствии с наклоном линий JE и ВC. Кристаллы аустенита растут в форме дендритов. В связи с повышенной подвижностью атомов углерода, дендритная ликвация почти не выражена.

Дальнейшее формирование структуры зависит от состава стали. В эвтектоидной стали (сплав 5) аустенит остается стабильным при охлаждении до точки S. При некотором переохлаждении относительно этой точки при постоянной температуре происходит эвтектоидное превращение, в результате которого формируется структура эвтектоида, состоящего обычно, из чередующихся пластин феррита и цементита. Такой эвтектоид называется перлитом. Таким образом, после полного охлаждения структура эвтектоидной стали представляет собой перлит.

Во время охлаждения доэвтектоидной стали аустенит теряет свою стабильность ниже линии GS. Начинается полиморфное превращение аустенита в феррит, которое имеет место в температурном интервале между точками 16 и 17 (сплав 3). Кристаллы феррита образовываются преимущественно на границах зерен аустенита и растут обычно в форме равноосных зерен. В некоторых случаях возможно образование ферритной сетки на границах аустенитных зерен. Превращение сопровождается изменением химического состава аустенита в соответствии с линией GS. Важно подчеркнуть, что при эвтектоидной температуре аустенит всегда имеет эвтектоидное содержание углерода. При некотором переохлаждении будет иметь место эвтектоидное превращение. В результате описанных процессов структура доэвтектоидной стали будет состоять из феррита и перлита.

Путем рассуждений можно определить количественное соотношение между ферритом и перлитом в структуре доэвтектоидной стали. Для этого cледует иметь в виду, что перлит образуется из аустенита, который сохраняется до эвтектоидной температуры. Относительное количество аустенита и феррита при эвтектоидной температуре легко определить по правилу отрезков. С помощью аналогичных рассуждений можно решить обратную задачу - определить ориентировочно содержание углерода в стали в зависимости от соотношения в структуре феррита и перлита. Надо, однако, иметь в виду, что такой метод годен только тогда, когда наверняка известно, что охлаждение стали было медленным.

В заэвтектоидной стали (сплав 6) ниже линии ЕS аустенит становится перенасыщенным углеродом. Избыточный углерод выделяется из аустенита в виде вторичного цементита, который располагается на границах аустенитных зерен. Во время охлаждения в интервале температур между точками 22, 23 аустенит обедняется углеродом в соответствии с линией ЕS. Как и в предыдущем случае, при эвтектоидной температуре аустенит имеет эвтектоидную концентрацию и при дальнейшем охлаждении при постоянной температуре превратится в перлит. Таким образом, структура заэвтектоидной стали будет состоять из перлита и вторичного цементита.

Превращения при нагреве cталей происходят в обратном порядке. Полагаем, что студент схематично может произвести такой анализ самостоятельно. Более детальный обзор этих вопросов будет представлен в курсе " Термическая обработка ".