5. Четыре основных превращения в стали

При изучении кристаллизации (гл. II) мы видели, что этот процесс совершается вследствие того, что при изменившихся условиях одно состояние, например кристаллическое, более устойчиво, чем другое, например жидкое.

Фазовые превращения, которые совершаются в стали, также вызваны тем, что вследствие изменившихся условий, например температуры, одно состояние оказывается менее устойчивым, чем другое. Этим и вызываются превращения, протекающие в стали.

Рассматривая структурные превращения в стали, мы прежде всего должны указать, что основными являются три структуры, а переход их из одной в другую характеризуют основные превращения.

Укажем эти структуры:

аустенит (А) — твердый раствор углерода в у-железе

мартенсит (М) — твердый раствор углерода в -железе

перлит (П) — эвтектоидная смесь из одновременно образующихся феррита и карбида (ничтожно малой равновесной растворимостью углерода в феррите пренебрегаем).

При термической обработке стали наблюдаются четыре основных превращения.

I. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки выше температуры стабильного равновесия аустенит—перлит; при этих температурах из трех основных структур минимальной свободной энергией обладает аустенит (рис. 173):

II. Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже

III. Превращение аустенита в мартенсит:

Это превращение наблюдается ниже температуры метастабильного равновесия аустенит—мартенсит При более устойчивой фазой является перлит, однако работа, необходимая для образования мартенсита из аустенита, меньше, чем для образования перлита, поэтому ниже образование перлита (феррито-карбидной смеси) из аустенита может произойти только в результате превращения аустенита в мартенсит, а затем уже мартенсита в перлит.

Таким образом, аустенито-мартенситное превращение в данном случае является промежуточным в процессе перехода аустенита в перлит.

IV. Превращение мартенсита в перлит, точнее, в феррито-карбидную смесь:

Оно происходит при всех температурах, так как при всех температурах свободная энергия мартенсита больше свободной энергии перлита (точнее феррито-карбидной смеси).

Рис. 173. Изменение свободной энергии аустенита мартенсита и перлита с изменением температуры

Рис. 174. Область а. у и е-фаз железа в зависимости от температуры и давления

Схема изменений свободных энергий основных структур (см. рис. 173) показывает, что выше возможно превращение мартенсита в аустенит. Однако это превращение экспериментально в углеродсодержащих сталях не было обнаружено, по-видимому, из-за того, что раньше успевает произойти превращение мартенсит—перлит (распад мартенсита).

Превращение перлита в мартенсит невозможно, так как при всех температурах мартенсит обладает большей свободной энергией, чем перлит.

Выше были рассмотрены фазовые превращения, используемые при термической обработке и обусловленные изменением температуры. Другой термодинамический фактор — давление, которое не используется при термической обработке, хотя изменяя давление, можно получить структурные превращения, которые отсутствуют при неизменном (1 атм) давлении.

Диаграмма фазового равновесия при независимых переменных — температура и давление приведены на рис. 174. При высоких давлениях возможно образование железа с гексагональной плотноупакованной решеткой (так называемое е-железо). Тройная точка равновесия лежит при Выше при увеличении давления возможен а переход, а ниже прямой — а — переход.

Как было отмечено, всестороннее давление пока еще не используется для целей структурообраэования в стали из-за технологических сложностей; недостаточно ясно

также, насколько это эффективно в отношении получения особых свойств. Некоторые элементы влияют аналогично всестороннему давлению. Так, например, при высоком содержании марганца и при нормальном давлении образуется е-фаза.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

(см. скан)