Перлитная структура в стали

Перлитная структура получила свое название от того, что после травленная она имеет под микроскопом перламутровый блеск.

В перлитном интервале превращения аустенита образуется перлитная структура — механическая смесь пластин феррита и цементита. Скорость, с которой формируются зародыши перлитной кристаллизации, зависит от переохлаждения аустенита по отношению в равновесной температуре образования цементита. Это переохлаждение возрастает с понижением температуры. Рост островков перлитной структуры зависит в основном от скорости диффузии атомов углерода и железа. Другими решающими факторами являются степень переохлаждения и выигрыш в свободной энергии при образовании феррита.

Механизмы образования перлитной структуры

Островки перлита растут не только за счет образования новых пластин, но и за счет роста старых пластин во всех направлениях. Карбидные пластины растут быстрее, чем ферритные. Процесс, однако, начинается с образования ферритных зародышей. Механизм формирования перлитной структуры до сих пор до конца не понят. Классический перлит – это множество так называемых перлитных колоний, которые состоят из чередующихся параллельных пластин феррита и цементита (рисунок 1).

perlit-evtektoidnyyРисунок 1 — Эвтектоидный перлит

Перлитные зародыши возникают преимущественно в дефектных областях кристаллической решетки: на границах зерен, на нерастворимых карбидах или неметаллических включениях.

Межпластиночное расстояние в перлите

Важнейшей характеристикой перлита является расстояние между его пластинами – межпластиночное расстояние (рисунок 2). С уменьшением этого расстояния прочностные свойства стали возрастают.

mezhplastinochnoe-rasstoyanie-perlitaРисунок 2  — Межпластиночное расстояние в перлите
(темные пластины — цементит, светлые пластины — феррит)

Скорость образования центров кристаллизации цементита и феррита в перлитном интервале температур возрастает со снижением температуры. При этом межпластиночное расстояние уменьшается, а дисперсность структуры возрастает.

У эвтектоидной стали перлитное превращение происходит при ее охлаждении до температуры от 700 до 600 ˚С. В этом случае межпластиночное расстояние составляет 0,5-1,0 мкм.

Распад аустенита в интервале температур от 600 до 500 ˚С обеспечивает межпластиночное расстояние от 0,4 до 0,2 мкм. В этом случае эвтектоид, часто его называют квазиэвтектоид, представляет собой более дисперсную структуру.

Когда аустенит распадается в интервале температур от 600 до 500 ˚С возникает чрезвычайно дисперсная перлитная структура с межпластиночным расстоянием около 0,1 мкм.

Размеры перлитных колоний

Важной характеристикой перлита, которая влияет на свойства сталей, является размер перлитной колонии (рисунок 3). Колония — это группа пластин цементита и феррита, которые совместно, кооперативно росли в аустените  до столкновения с другими колониями.

kolonii-perlitaРисунок 3 — Перлитные колонии

Уменьшение размера перлитной колонии сопровождается ростом ударной прочности сталей и снижением их хрупкости.

Повышение прочности к хрупкому разрушению перлита достигается путем сфероидизации цементитных пластин. Эта сфероидизация может достигаться путем деформации перлита с последующим нагревом и выдержкой при температуре вблизи точки Ас1. Другой метод, который обеспечивает относительно высокую прочность и пластичность перлита, заключается в деформации перлита во время перлитного превращения. Это приводит к образованию полигональной структуры и сфероидизации цементита.

Абнормальная и нормальная структуры перлита

Эвтектоидное превращение, которое сопровождается не перлитным, а разделенным формированием  фаз, называют абнормальным. В нормальном эвтектоидном превращении феррит и перлит растут кооперативно в виде колоний с регулярным чередованием двух фаз. В случае абнормального превращения грубая смесь феррита и цементита не имеет свойств перлитной структуры. При реальном эвтектоидном превращении механизм превращения может меняться от абнормального к нормальному. Поэтому при быстром охлаждении и соответственно большом переохлаждении аустенита абнормальное превращение может быть полностью подавлено.

Перлитная структура в доэвтектоидной стали

К доэвтектоидным сталям относят стали с содержанием углерода менее 0,8 % углерода. Иначе их называют малоуглеродистыми сталями. В доэвтектоидных сталях при охлаждении ниже температуры А3 в первую очередь образуется избыточный феррит, а затем ниже температуры А1перлитная структура. Этот феррит может быть в двух формах: компактные равноосные зерна и ориентированные видманштетные пластины (рисунок 4).

vidmanshtettova-strukturaРисунок 4 — Видманштеттова стуктура в доэвтектоидной стали

Компактные выделения доэвтектоидного феррита возникают преимущественно на границах аустенитных зерен, тогда как видманштетный феррит формируется внутри зерен. Видманштетов феррит наблюдается только в сталях с содержанием углерода менее 0,4 % и крупными аустенитными зернами. Когда размеры аустенитных зерен уменьшаются, доля феррита в форме равноосных зерен увеличивается. Видманштетов феррит образуется в температурном интервале от точки А3 до температуры 600-550 С. С увеличением содержания углерода в стали доля видманштеттова феррита снижается.

Перлитная структура в заэвтектоидной стали

К заэвтектоидным относят сплавы с содержанием углерода от 0,8 до 2,0 %. Часто их называют высокоуглеродистыми сталями. В отличие от доэвтектоидных в заэвтектоидных сталях при их охлаждении первым выделяется не избыточный феррит, а избыточный цементит. Затем в результате уменьшения содержания углерода в аустенита близкой к эвтектоидному и снижения температуры ниже точки А1 происходит формирование перлитной структуры. Таким образом, структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и вторичного цементита (рисунок 5).

zaevtektoidnaya-stalРисунок 5 — Структура заэвтектоидной стали
(виден избыточный (вторичный) цементит по границам бывших аустенитных зерен)

Стальные колесные диски