Высокоуглеродистые стали на фазовой диаграмме

Высокоуглеродистые стали

В высокоуглеродистых сталях количество углерода, растворенного в аустените, возрастает, и атомы железа раздвигаются по отношению друг к другу. Это растягивает химические связи, которые удерживают атомы железа вместе, что приводит к возникновению энергии деформации. Существует предел того, как много этой деформации может выдерживать аустенит. Количество углерода, которое растворяется в аустените, до достижения этого предела, называется пределом растворимости углерода в стали.

Цементит – углеродная фаза в стали

Предел растворимости углерода в аустените, например, при температуре 820 ºС составляет 1 %. Если высокоуглеродистую сталь, которая содержит 1,5 % углерода, нагреть до 820 ºС, то только 1 % из этих 1,5 % растворится в аустените. Куда девается остальной углерод? Этот лишний углерод входит в новую фазу. Эта новая фаза – цементит – имеет важное отличие от аустенита и феррита. Это – химическое соединение, которое существует только в одном составе.

Химическая формула цементита – Fe3C, то есть на каждый атом углерода в этом соединении приходится три атома железа. Весовая доля углерода в цементите составляет 6,7 %.

Цементит также как и феррит и аустенит имеет регулярную кристаллическую структуру. Эта кристаллическая структура является более сложной, чем объемно-центрированная кубическая структура феррита или гранецентрированная кубическая аустенита, но она хорошо известна. Цементит является отдельной фазой и присутствует в стали в виде дискретных зерен. Поэтому, те «лишние» 0,5 % углерода в стали при 820 °С войдут в отдельные цементитные зерна, смешанные с аустенитными зернами. Таким образом, микроструктура стали будет иметь вид двухфазной смеси аустенита и цементита.

Фазовая диаграмма для заэвтектоидных сталей

На рисунке 1 представлена фазовая диаграмма железо-углерод, включающая часть с высоким содержанием углерода – для заэвтектоидных – высокоуглеродистых – сталей. Цементит здесь играет важную роль.

nagrev-staliРисунок 1 – Фазовая диаграмма железо-углерод, включающая участок заэвтектоидных (высокоуглеродистых) сталей
(содержание углерода более 0,77 %)

Область существования аустенита показана в виде темной центральной области. Поскольку цементит существует только в одном химическом составе, он показан на диаграмме в виде вертикальной линии при содержании углерода 6,7 %.

Предел растворимости углерода в аустените

Линия на диаграмме, обозначенная Acm обозначает предел растворимости углерода в аустените. При 820 °С эта линия дает точку с содержанием углерода 1 % — только столько  углерода сможет раствориться в аустените при  820 °С. Высокоуглеродистые сплавы с содержанием углерода справа от линии Acm находятся в слегка заштрихованной двухфазной области справа. Эта область обозначена «γ + Acm» — она состоит из смеси аустенитных и цементитных зерен.

Образование цементита при нагреве высокоуглеродистой стали

Для примера рассмотрим высокоуглеродистую сталь с содержанием 0,95 % углерода. Если эту сталь нагреть до 760 ºС, то ее точкой на фазовой диаграмме рисунка 1 будет белый кружок с проходящими через него горизонтальными стрелками. Поскольку эта точка лежит в двухфазной области γ + Acm, то сталь должна состоять из смеси аустенита состава О (0,85 % углерода) и цементита (0,67 % углерода). Диаграмма не дает вида микроструктуры, но эксперименты показывают, что она выглядит так, как показано внизу рисунка 1. Весь цементит находится в виде мелких сферических зерен, которые случайным образом распределены по аустенитным зернам. Размеры зерен аустенита значительно больше, чем зерен цементита. Зерна аустенита имеют четкие границы.

Образование цементита при охлаждении высокоуглеродистой стали

Применим фазовую диаграмму для того, чтобы понять, как меняется микроструктура высокоуглеродистой стали при термической обработке. Возьмем ту же сталь с содержанием углерода 0,95 %, нагреем ее до температуры 850 ºС и выдержим при этой температуре минут 20. Как показано на  фазовой диаграмме рисунка 2, этому состоянию стали соответствует точка в однофазной аустенитной области.

oxlazhdenieРисунок 2 – Часть фазовой диаграммы железо-углерод.
Изменение микроструктуры при охлаждении высокоуглеродистой стали
с 0,95 % углерода от 850 до 760 ºС

Если бы у нас был микроскоп, в который можно видеть микроструктуру нагретой стали, то мы бы увидели микроструктуру, похожую на ту, что справа на рисунке 2. При снижении температуры стали до 760 ºС ее точка на фазовой диаграмме попадает в двухфазную область аустенит+цементит. Это значит, что при охлаждении стали должны выделяться зерна цементита. Действительно, согласно экспериментам, цементит выпадает по границам аустенитных зерен – также как феррит в доэвтектоидных сталях.

Как видно справа на рисунке 2, микроструктура стали при температуре 760 ºС содержит те же первичные аустенитные зерна, которые были при температуре 850 ºС, с границами, которые заполнены тонкими, пластинчатыми зернами цементита.

Цель термической обработки стали – изменение ее микроструктуры

Нельзя не видеть значительного отличия микроструктуры на рисунке 2 от той, которая показана на рисунке 1 – после нагрева стали от комнатной температуры до 760 ºС. Отметим, что обе микроструктуры содержат одно и то же количество цементита и аустенита, но распределение цементита совершенно различно.

В отличие от аустенита и феррита цементит является очень хрупким. Поэтому сталь с микроструктурой, что на рисунке 2, со связанными между собой цементитными пластинами будет не такой вязкой и пластичной как сталь с микроструктурой на рисунке 1 с мелкими, изолированными цементитными зернами. Эти цементитные зерна дают стали хорошие режущие свойства. Из таких сталей изготавливают, например, опасные бритвы.

Это хороший пример того, как термическая обработка стали — не только высокоуглеродистой — может менять ее микроструктуру и, следовательно, ее механические свойства.

Заметим, микроструктуры, которые показаны на рисунках 1 и 2 существуют только при высокой температуре 760 ºС, а не при комнатной температуре. Фазы и микроструктуры при комнатной температуре – в отдельной статье.

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007