Превращение аустенита

Что происходит, когда сталь охлаждают с высокой температуры?

Обратимся к диаграмме состояния на рисунке 1.

metastabilnaya-diagramma-zhelezo-uglerodРисунок 1 — Метастабильная диаграмма железо-углерод

Предположим, что сталь с содержанием углерода 0,50 % нагрета до 815 °С. Весь углерод будет в твердом растворе — конечно, если длительность выдержки была достаточной. Это гамма-железо или аустенит.  При этих условиях все атомы углерода располагаются в промежутках между атомами железа в гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке (рисунок 2а).

reshetki-zhelezaРисунок 2 — Расположение железа в кристаллической решетке чистого железа
а — ОЦК решетка, б — ГЦК — решетка

Если сплав охлаждать медленно, при достижении температура примерно 790 °С начнется превращение ГЦК фазы (аустенита) в объемноцентрированную кубическую (ОЦК) фазу или, иначе, в альфа-фазу или еще иначе — феррит (рисунок 2б). Если температура продолжает снижаться, то превращение в основном заканчивается при температуре 727 °С.

В ходе этого превращения аустенита атомы углерода покидают атомную решетку железа, так как они почти не растворяются в ее ОЦК «варианте» — альфа-фазе (феррите).  Поэтому, если сплава из аустенитного состояния  охлаждается медленно, то он возвращается к тому же самому фазовому составу, которые имел до нагрева в аустенитную область. Аналогичный процесс происходит и с высокоуглеродистыми сталями (при содержании углерода более 0,8 %). Единственное отличие в том, что в этом случае отсутствует превращение аустенита в феррит в двухфазной области «аустенит-феррит» (рисунок 1). Кроме входа-выхода атомов углерода в промежутки между атомами железа и обратно в сплаве происходят и другие изменения, которые важны с практики термической обработки стали.

Во-первых, при 770 °С происходят магнитные изменения. Во-вторых, когда железо-углеродистый сплав переводят в аустенит путем его нагрева, при температуре превращения это требует подачи большого количества тепла. Наоборот, когда сплав переходит из гамма-железа в альфа-железо, то столько же тепла выделяется обратно.

Что случится, если сплав будет охлаждаться быстро? Когда аустенит резко охлаждается, атомы углерода не успевают «нормально» выйти из железной атомной решетки. Это приводит к атомному беспорядку и искажениям решетки. Результатом этого является высокая твердость и прочность сплава. Если охлаждение аустенита происходит достаточно быстро, то образуется новая структура известная как мартенсит, хотя эта новая структура (смесь железа и цементита) является формально альфа-фазой.