Структурообразование в металле слитка

В связи с тем, что диффузионные процессы с понижением температуры (по сравнению с температурой кристаллизации) существенно тормозятся, дендритная ликвация при обработке давлением(ковке, прокатке), термической обработке(отжигах, закалках и др.)очень трудно уменьшается (уничтожается).

Дендритная ликвация углерода и легирующих элементов остается и в прокате (дендриты вытягиваются в волокна), создавая полосчатую структуру (мартенсит-бейнит; бейнит-перлит; феррит-перлит (рис.14;19;49), а в высокоуглеродистых сталях – карбидную строчечность, вытянутую вдоль направления деформации. Легкоплавкие неметаллические включения (силикаты, сульфиды) также создают структурную полосчатость. Для предотвращения (уменьшения) дендритной ликвации используют модифицирование расплава (например, кальцием) для образования дополнительных новых центров кристаллизации.

В заэвтектоидных сталях (шарикоподшипниковых, инструментальных и ледебуритных быстрорежущих) оси дендритов содержат высокую концентрацию тугоплавких элементов, образующих тугоплавкие частицы вторичной фазы (карбиды, нитриды карбонитриды и др.), которые дробятся и вытягиваются при деформации слитков в карбидные строчки вдоль оси заготовки.

При образовании крупных дендритов может возникать междендритная пористость – от усадочных пор в межосных пространствах (рис.50).

- зональная ликвация это химическая неоднородность металла по всему объему слитка и она бывает: осевой и внеосевой, наиболее часто ответственны за это явление сера и фосфор ( проявляющаяся и наглядно демонстрируемая серным отпечатком по Бауману). По высоте изложницы кристаллизация осуществляется от донной части к верхней части и в последнюю очередь металл кристаллизуется в верхней части изложницы в осевой зоне (т.е. центральная верхняя часть слитка - рис.51).

х600	х100
Рис. 49- Микроструктура малоуглеродистых низколегированных сталей типа 22Г2ТЮ после термомеханической обработки – явно выраженная феррито-перлитная полосчатость	Рис.50 –Междендитная пористость от усадочных пор в межосных пространствах литой стали (А.А. Кононенко и др.)

Это может быть также связано также и с тем, что при такой схеме кристаллизации последние порции кристаллизующегося металла могут иметь состав легкоплавкой эвтектики. При кристаллизации стального слитка из-за сокращения объема металла образуются пустоты – усадочные раковины, усадочная рыхлость (рис. 51), которые являются скоплением большого числа мелких пустот и пор.

По высоте слитка часто возникает химическая неоднородность металла, которую называют осевой ликвацией.

Рис. 51 -Усадочная раковина и рыхлость в металле слитка Усадочная рыхлость может быть осевой (по оси слитка под усадочной раковиной) или зональной (сопровождает зональную ликвацию). В верхней части слитка в металле образуется усадочная раковина, ниже которой образуются V-образные «усы» внецентренной (внеосевой, зональной) ликвации (рис.). В местах встречи кристаллов при их росте образуются так называемые тонкие ликвационные шнуры ( образуются в последнюю очередь из наиболее грязного жидкого металла, часто содержат фосфидные эвтектики);

К основным закономерностям формирования ликвации при кристаллизации слитка относятся:

1. Все элементы, присаживаемые к железу, ликвируют в одном направлении - от оси дендрита к междуосным участкам, снижающие при этом температуру кристаллизации сплава. По склонности к дендритной ликвации элементы-примеси, ис­пользуемые в металлургии качественных сталей, могут быть расположе­ны в следующий убывающий ряд: В, Р, В, С, W,Аs, V, Ti, Мо, Сu, А1, Hb, Si, Сг, Мn, Со и Ni. Применительно к типовому слитку углеродистых и легированных сталей весом 2—3 т для середины расстояния от поверхности до оси и середины высоты слитка степень дендритной ликвации легирующих эле­ментов и примесей часто оценивается следующими значениями, %:

1.Сера выше 200	7.Молибден выше 40
2.Фосфор 150	8.Кремний 20
3.Углерод 60	9.Хром 20
4.Вольфрам 55	10.Марганец 15
5.Мышьяк 50	11.Никель 5
6.Ванадий 40

2.Газы в стали (кислород и водород) значительно ликвируют и увеличивают степень дендритной ликвации других элементов;

3.Элементы-раскислители (Al; Ti; Zr) способствуют увеличению дендритной ликвации в стали;

4. Незначительно ликвируют Si; Mn; Cr; Ni; W; Mo и степень их дендритной ликвации примерно соизмерима;

5.Значительна степень дендритной ликвации углерода, мышьяка, серы и фосфора (усиливает ликвацию других элементов);

6.Чем больше степень зональной ликвации, тем меньше дендритная ликвация.

В промышленности наиболее часто полученный слиток подвергается затем горячей деформации. Известно (например, опыты Я. С. Гинцбурга), что при обработке давлением металла слитка первичные кристаллиты постепенно поворачиваются и располагаются вдоль направления деформации. Этим объясняется тот факт, что волокнистая, полосчатая структура прокатанной стали формируется в результате ориентирования вдоль направления прокатки первичных (вероятно, и последующих) осей дендритов исходного слитка (рис.49). Почти параллельная ориентировка волокон достигается при 11-12-кратном обжатии, и эта ориентированность по сечению проката неоднородна: более строго ориентированное волокно раньше формируется в осевой зоне и позднее в периферийных слоях.

В зависимости от способа производства стали степень ликвации, размер ликвационных зон и их расположение по объему слитка может существенно отличаться (рис. 52).

«+» - участки, в которых содержание серы, фосфора и др. примесей выше среднего

Рис. 52 – Расположение ликвационных зон в слитке:

а - отлитого в изложницу;

б – полученного переплавом (ВДП; ЭЛП);

в – в непрерывно литой заготовке;

Для предотвращения осевой ликвации серы наиболее часто в практике применяют следующие технологические приемы:

-вводят в жидкий расплав кальций и редкоземельные металлы (РЗМ) для замены (при кристаллизации) легкоплавкой эвтектики Mn-S-FeS тугоплавкими CaS или CeS, которые кристаллизуются раньше;

-электромагнитное перемешивание металла (затвердевающих слитков) уменьшает размер зоны столбчатых кристаллов (снижает ликвацию серы в 4-5 раз, фосфора, кремния, марганца. углерода);

-деформационное воздействие на полузатвердевший слиток;

-прямую отливку проката (например, полосы или листового металла).

Именно из-за наличия химической неоднородности металла (ликвации) в практику введены нормативные документы, определяющие степень пораженности металла этими дефектами (ГОСТы 10243; 1414).

В зависимости от технологии выплавки и раскисления стали подразделяют на:

-кипящие (схема поперечного разреза слитка на рис.53 а);

-полуспокойные (рис.53 б);

-спокойные (рис.53 в).

Рис.53 -Продольные разрезы слитков из сталей: а-кипящей; б-полуспокойной; в-спокойной стали.

На рис.53 приведены схематические изображения сечений слитков из кипящей, полуспокойной и спокойной стали, из которого наглядно видно существенную разницу в макроструктуре металла.

Поэтому при создании технологической цепочки производства металлоизделий ответственного назначения выбирается способ производства жидкой стали, вес слитка, способ разливки стали и методы внепечной обработки жидкого металла с целью повышения качества металла (жидкого и твердого). Термическая обработка слитка, поковки и готового изделия может повлиять на качество металла за счет уменьшения размеров дендритов и ликвационных явлений, повышения однородности твердого раствора, уменьшения размеров аустенитного зерна и размеров зерен (колоний) вторичной структуры, размеров частиц вторичной фазы (карбидов, карбонитридов, специальных карбидов и т.д.), а также за счет уменьшения концентрации вредных газов (водорода, кислорода, азота) и получения требуемого структурного состояния в металле изделий. Термическая обработка не влияет на количество неметаллических включений, пор.

В промышленности, в составе металлургических, машиностроительных и др. заводов, существует большое количество термических цехов, участков и отделений, на оборудовании которых производится предварительная или окончательная термическая обработка проката или готовых металлоизделий, определяющая конечный уровень свойств металла.

В промышленно развитых странах для повышения конкурентоспособности металлопродукции различных отраслей постоянно внедряются в производство новые оборудование и технологии термической и комбинированной обработок деталей различного назначения с целью оптимизации их структуры и свойств, что в целом определяет конкурентоспособность металлопродукции.

Металл на протяжении всего цикла изготовления проката или готовых изделий подвергается различным технологическим переделам: получение чугуна (1-й передел); получение стали (2-й передел); обработка давлением (3-й передел); термическая обработка (4-й передел). При этом термической обработке металл наиболее часто подвергается на стадиях получения отливки, слитка, заготовки; деформационного передела; механической обработки проката; а также финишной термической или комбинированной обработке в конце технологической цепочки изготовления металлоизделий.

Для перехода к рассмотрению конкретных режимов термической обработки металлов и сплавов, описанию их структурного состояния целесообразно освоить основные термины и понятия, которые вкладываются в них, что необходимо для полного профессионального взаимопонимания с коллегами, существующей технической и нормативной литературой.

Структура металлов и сплавов – собирательное название характеристик их макро- и микростроения, которые характеризуют состав, морфологию и расположение отдельных фаз в металле и их количественные характеристики. В зависимости от геометрических размеров различают макро, микро-, и субмикроструктуру (субструктуру) (рис.54) металлов и сплавов.

Реальная структура металлов и сплавов на различных иерархических уровнях отличается от идеальных (модельных) структур. Для простоты восприятия эти отличия характеризуются наличием, количеством и размерами дефектов.

– зерно в поликристаллическом металле – отдельный кристаллит поликристаллического конгломерата (рис.54), имеющий одну кристаллографическую ориентировку и разделенный с другими кристаллитами границами. Размер зерна может изменяться от нескольких микрометров и до сантиметра, при этом размер зерен во многом определяет свойства метала или сплава. В литых изделиях при кристаллизации также формируется зеренная структура, в которой форма и размер зерен могут существенно различаться. Зерна могут быть равноосными, столбчатыми или перистыми (веерными). Литые зерна металлов имеют, как правило, дендритное строение. При деформации литого металла или при термическое обработке с перекристаллизацией меняется форма и размер зерен и их внутреннее строение;

Граница зерна (рис.54) – поверхность по обе стороны от которой кристаллические решетки различаются пространственной ориентацией. Граница зерна – поверхностный дефект кристаллической решетки. В 1929г была предложена модель переходной решетки; в этой модели граница зерна – это слой в 1-2 атомных диаметра, в котором атомы занимают такие позиции (компромиссные между положениями узлов решеток соседних зерен), при которых их потенциальная энергия в пограничном слое минимальна. По величине угла разориентировки границы зерен подразделяют: на высоко - и малоугловые.

Высокоугловые границы (угол разориентировки от» 5 ° до 9°) могут содержать зернограничные дислокации, движение которых в плоскости границы зерна обусловливает зернограничное скольжение.

Малоугловая граница (угол разориентировки от» 0° до 4°) – граница, по обе стороны от которой разориентация кристаллических решеток не превышает 10 градусов. Малоугловые границы образованы системами дислокаций, в простейшем случае это стенки дислокаций. К малоугловым границам относятся все границы субзерен.

Когерентная граница – межфазная граница, на которой атомные плоскости одной фазы переходят, не прерываясь, в другую фазу так, что атомы на границе принадлежат одновременно кристаллическим решеткам двух фаз.

Межфазная граница (МГ) – граница между кристаллами, принадлежащими разным фазам. Различают три типа межфазных границ: когерентные; полукогерентные и некогерентные.

На когерентной МГ решетка одной фазы плавно переходит в решетку другой фазы. Несоответствие решеток двух фаз обусловливает упругую деформацию и изгиб атомных плоскостей на когерентной МГ. Некоторые атомные плоскости кристалла одной фазы не имеют продолжения в кристалле соседней фазы. Область несовершенства вокруг края такой атомной плоскости, оканчивающейся на МГ, являющейся дислокацией, называется дислокацией несоответствия.

На полукогерентной МГ такие дислокации чередуются с участками плавного сопряжения решеток двух фаз.

При очень большом несоответствии решеток двух фаз, когда плавное сопряжение их вообще невозможно, МГ называют некогерентной.

Специальная граница – граница зерна с высокой плотностью совпадения узлов и пониженной энергией.

Ячеистая структура – субструктура металла или сплава с внутризеренными областями (ячейками) размером от 0,5 до 2,0 мкм с низкой плотностью дефектов, разделенными широкими границами из объемных дислокационных скоплений, соответственно называемыми границами ячеек или стенками. Ячеистая структура обычно образуется при холодной пластической деформации. При нагреве деформационного металла с ячеистой структурой ячейки превращаются в субзерна в результате сплющивания объемных дислокационных скоплений (границ) и превращения их в плоские субграницы.

Субзерно (или блок, полигон, фрагмент) – часть зерна, ограниченная плоскими субграницами (малоугловыми -< 10°). Субзерна, расположенные в одном зерне и мало отличающиеся кристаллической ориентацией, образуют субструктуру. Различают субграницы: наклона – образованные краевыми дислокациями; кручения – сформированные винтовыми дислокациями; смешанные – состоящие из элементов наклона и кручения.

Рис. 54 - Схема мезоструктуры (субструктуры) зерна материала [Тушинский Л.И.]

Дефекты – отклонения от идеального состояния металла или сплава по химическому составу, структуре, сплошности и др. параметрам, которые определяют потребительские свойства металлопродукции.

Дефекты кристаллической решетки металлов или сплавов – нарушение закономерного периодического расположения частиц решетки (атомов, молекул) по узлам пространственной решетки кристаллов. Эти дефекты подразделяют: на точечные, линейные и поверхностные.

К точечным дефектам (рис.55,56) относятся вакансии, межузельные и примесные атомы, а также их комплексы, размеры которых соизмеримы с размерами атомов.

а- вакансии; б- атом внедрения; в - примесный атом внедрения

Рис.55- Точечные дефекты в кристаллической решетке

Рис.56 -Точечные дефекты кристаллической решетки:

a- пустой узел (вакансия); б-междуузельный атом; в- вакансия и междуузельный атом;

г- примесный атом.

Линейные дефекты (рис.57) имеют атомные размеры в двух измерениях, а в третьем измерении они имеют существенно больший размер, который может быть соизмерим с длиной кристалла. К таким дефектам относят: дислокации, дисклинации, цепочки вакансий (вакансионные диски) и межузельных атомов.

Рис. 57 -Дислокационная модель: а) простой наклонной границы - наклонные границы характерны для начала процесса полигонизации; б) схема разориентировки кристаллов на угол Q [Бернштейн М.Л.,Займовский В.А.]

К поверхностным дефектам относят: границы зерен и субзерен, двойников, межфазные границы и др.

Дефекты в зависимости от их линейных размеров (L) подразделяют на следующие группы:

– макродефекты – L>50 мкм (особая неправильная форма зерен – дендриты, полиэдры, искривленные границы зерен, тройные стыки границ зерен). При изучении металлов и сплавов используется фундаментальное понятие макроструктуры – зерно, так как все эти материалы имеют зеренное строение. Макродефекты могут наблюдаться при визуальном исследовании шлифов, изломов или изделий;

– микродефекты L=10…50 мкм (точечные дефекты: вакансии и дислоцированные ионы; степень упругой искаженности элементарной ячейки кристаллической решетки). Микродефекты могут наблюдаться при исследовании шлифов или изломов с помощью светового или электронного микроскопа;

– субмикродефекты или еще их называют мезодефекты – L< 10 мкм (сложная форма субзерен, фрагментов, ячеек, блоков, полигонов, наличие дислокаций, субграниц, выделения вторичной фазы на начальных стадиях распада твердого раствора - элементы наноструктуры). Субмикродефекты (мезодефекты) наблюдаются только при больших увеличениях при электронно-микроскопическом анализе (в основном на просвет) фольг.

Рассмотренные дефекты реальной структуры металлов и сплавов определяются тремя основными факторами:

– степенью разориентировки структурных объемов (зерен, субзерен, фрагментови др.);

– степенью упорядоченности (дефектностью) внутренних объемов этих структурных объектов;

– физическими моделями и реальными схемами границ и субграниц раздела.

Известно, что после зарождения, роста кристаллов (дендритов) в жидком расплаве и окончания кристаллизации в твердом металле происходят изменения структурного состояния с образованием зеренной структуры (иногда называют вторичной структурой), которая как бы накладывается на дендритное строение металла (см. рис. 45в и 58). В литературе такой процесс называется часто грануляцией. При проведении микроструктурных исследований литой стали в плоскости шлифа можно наблюдать (в зависимости от методики приготовления шлифа) дендриты и сетку вторичной структуры - аустенитных зерен (рис. 45в; 58б), либо дендритное строение структуры, которая образовалась при распаде аустенита и которая сохраняется в металле даже после нормализации литья (рис.59). До настоящего времени существует много теоретических обоснований процесса грануляции, к основным положениям которых относятся (например, касательно малоуглеродистых и низколегированных сталей):

1) фазовое превращение d_Fe®g_Fe для стали с перитектическим превращением;

2) выравнивание границ зерен;

3) собирательная рекристаллизация;

4) дробления дендритов вследствие неоднородности их кристаллической решетки;

5) вследствие напряжений, возникающих при кристаллизации, фазовых и структурных превращениях.

а б Рис.58 -Строение реального металлического слитка (а) и образование зеренной структуры в металле с дендритным строением (б) слитка (Рабинович).

В высокоуглеродистых сталях формирование аустенитной структуры происходит непосредственно из жидкого состояния, а макроструктура аустенита (форма, размер и т.д.) согласуется с дендритной структурой слитка

Таким образом, после завершения процесса кристаллизации в литой стали образуется состояние, характеризующееся существенной неоднородностью химического состава, структуры и свойств металла, что не позволяет использовать такой металл для последующего деформационного передела или эксплуатировать в виде металлоизделий. Поэтому литой металл подвергается последующей термической обработке с целью достижения более однородного (гомогенного) состава, структуры, свойств и снижения уровня остаточных напряжений в металле.

Гомогенизация металла начинается с жидкого состояния за счет различных технологических приемов. После кристаллизации и перехода в твердое состояние металл подвергается термическим обработкам, целью которых является повышение гомогенности (химической и структурной) литого металла.

В качестве основных режимов термической обработки слитков и поковок, предназначенных для выравнивания (гомогенизации) химического состава, структуры и свойств металлов и сплавов используют отжиги 1 и П рода, возможно совмещенные с пластической деформацией литого металла (особенно для сталей и сплавов с развитой карбидной неоднородностью). Следует отметить, что устранить дендритную структуру, полученную при кристаллизации жидкого металла, не удается ни горячей деформацией, ни последующими операциями термической обработки. Это говорит о том, что структурная наследственность, обретенная литыми сплавами при кристаллизации, является чрезвычайно устойчивой в процессе всех дальнейших технологических переделов. В определенной мере технологическими приемами удается уменьшить ликвационные явления и повысить гомогенность металла. В железоуглеродистых сплавах, которые при кристаллизации и последующей горячей деформации (см.рис.49) или термической обработке (рис.59) охлаждались до температур ниже критических точек А_С3 и А_С1 с скоростью, при которой аустенит претерпевал превращение по диффузионному механизму, в структуре металла хорошо видно его дендритное строение (особенно при малых увеличениях, т.е. на уровне макроструктуры). Так для примера на рис.59 приведена макроструктура стали 20ГЛ после кристаллизации и последующей нормализации (930-940⁰С).

х10

х25

Рис.59 –Макро- и микроструктура литого изделия из стали 20ГЛ после нормализации при разных увеличениях

Из рис. 59 видно, что даже после полной a® g® a перекристаллизации с реализацией диффузионного механизма превращения структурное состояние практически не изменилось по сравнению с литым состоянием. В случае реализации при термической обработке из однородного аустенитного состояния промежуточного или мартенситного механизмов превращения при микроструктурных исследованиях оператор светового микроскопа практически не видит в исследуемой структуре дендритного строения металла, которое является, как бы замаскировано структурами игольчатого типа (только при специальном травлении возможно выявить первичное зерно аустенита). Но если после закалки литого металла на мартенситную структуру подвергнуть его вновь повторной обработке типа отжига (т.е. с медленным охлаждением из аустенитного состояния и реализацией диффузионного превращения), на микрошлифе будет хорошо видна макро- и микроструктура литого металла, т.е. проявиться эффект структурной наследственности (точнее один из вариантов этого явления).

В практике термической обработки для повышения однородности литого металла (химической и структурной) применяют режимы, которые входят в обобщенные понятия «Отжиги 1 и П рода». Особенностью этих режимов является нагрев до предельно допустимых температур, выдержка и медленное охлаждение ниже критических точек А_r3 и А_r1 с реализацией диффузионного превращения аустенита и получением структур, отличающихся дисперсностью феррито-карбидных составляющих (рис.60). Степень дисперсности образующихся структурных составляющих перлита зависит, прежде всего, от степени переохлаждения аустенита ниже критических точек.

В литературе различают непрерывный и дискретный характер превращения. Эвтектоидный распад имеет дискретный характер превращения.

Рис.60 -– Схема феррито-цементитных структур (условно черные полосы - Ц, а между ними Ф) образующихся из аустенита при диффузионном распаде и отличающихся степенью дисперсности феррито-карбидных составляющих: а) перлит; б) сорбит; в) троостит

При анализе структурообразования в металле крупногабаритных литых или деформированных металлоизделий (слитков, отливок, поковок) в процессе реализации режимов термической обработки, входящих в обобщенные понятия «Отжиги 1 и П рода» (чаще всего это гомогенизационный, полный, изотермический, нормализационный, сорбитизирующий отжиги) используют изотермические диаграммы распада переохлажденного аустенита (рис.61). Для гомогенизации литого и деформированного металла из легированных сталей и сплавов используют скорости охлаждения из области аустенитного состояния, которые соответствуют скоростям V₁ и V₂ на рис.62 и обеспечивают получение структур пластинчатого и зернистого перлита (сорбита).

Рис.61 - Изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита стали эвтектоидного состава с указанием примерных температурных интервалов образования продуктов распада при переохлаждении аустенита ниже температуры критической точки Аr1	Рис.62 - Наложение кривых охлаждения (с различной интенсивностью) на диаграмму распада аустенита эвтектоидной стали. Кривые V1;V2;V3 соответствуют различной интенсивности охлаждения (докритические скорости) и обеспечивают получение структур диффузионного распада аустенита –перлита, сорбита и троостита – такие скорости охлаждения и структуры реализуются при проведении режимов отжигов 1 и П рода

Охлаждение с скоростью V₄ (рис.62) обеспечивает распад переохлажденного аустенита по промежуточному механизму с получением структуры бейнита. Более интенсивное охлаждение (V_К;V₃) позволяет переохладить аустенит до температуры начала мартенситного превращения (Мн) и реализовать его распад по мартенситному механизму (V_К-критическая скорость охлаждения; V₃-закритическая).

Перлит – механическая смесь феррита и цементита (рис.63), образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита (ученый Сорби при исследовании структуры стали под микроскопом обнаружил структурную составляющую, дававшую световые рефлексы и поэтому названную им “ жемчужной составляющей ”-pearly conttituent, впоследствии названной перлит). Перлит образуется при небольших переохлаждениях аустенита в интервале температур Аr₁…650⁰С. Плотность перлита составляет 7,848 г\см³. В зависимости от дисперсности чередующихся пластин феррита и цементита в колонии перлита условно различают:

– перлит (межпластинчатое расстояние в пределах 0,6…1,0мкм, НВ 180) рис.63;

– сорбит (0,25…0,3мкм, НВ250) – назван по имени французского ученого Сорби Н.С-рис.64.;

– троостит, тростит или трустит - назван в честь французского ученого Труста Л.Ж.(0,1…0,15мкм, НВ400).

На рис. 67 приведена структура перлитных колоний с выделением избыточного цементита в виде сплошной сетки по границам бывших аустенитных зерен (структура заэвтектоидной стали после полного отжига – такое структурное состояние является браковочным признаком металлопродукции).

Принципиального различия между этими структурами нет. Условно считают, что сорбит образуется в процессе термообработки при распаде аустенита в области температур»600⁰С, (а при отпуске мартенсита в области температур ~450 - 650⁰С - сорбит отпуска).

А троостит охлаждения (иногда называют закалки) образуется при непрерывном охлаждении или изотермическом распаде в области температур»500⁰С (пластинчатая форма Ц). Троостит отпуска (зернистая форма Ц) - образуется при отпуске мартенсита в интервале температур ~350-500⁰С (выше температуры Мн). Троостит отпуска имеет более высокие пластические и вязкие свойства при равной прочности с трооститом охлаждения.

Феррит (Ф) – от слова ferrum – железо (такое название структурной составляющей присвоил Сорби) представляет собой твердый раствор внедрения углерода в a-железе. Максимальная растворимость углерода в равновесных условиях в феррите при эвтектоидной температуре 727⁰С составляет 0,025 % мас. (определяется положением точки Р на диаграмме Fe-C). По мере снижения температуры (по линии PQ диаграммы Fe-C) концентрация углерода в феррите уменьшается и при температуре 20-25⁰С в a- железе растворяется 0,006% углерода, что объясняется меньшими размерами междоузлий в феррите, по сравнению с аустенитом. Как и чистое железо, феррит имеет кристаллическую решетку в виде объемно центрированного куба. Плотность феррита составляет 7,874 г\см³. Максимальная растворимость углерода в феррите при ускоренном охлаждении из однородного аустенитного состояния (0,06% С) достигается при переохлаждении малоуглеродистых сталей до 550-500⁰С.

Различают несколько разновидностей феррита, обусловленные условиями его образования:

- полиэдрический ( избыточный, равноосный ) феррит (см. рис.65) образуется обычно по границам аустенитных зерен;

Рис.66 - Видманштеттовый феррит (БабошинА.Л.)

- видманштеттовый феррит (назван по имени А. Видманштетта - австрийского ученого) - особый вид структуры доэвтектоидных сталей с содержанием углерода примерно до 0,4%, в которой феррит расположен по границам перлитных зерен, образуя сплошную или прерывистую сетку с иглами, отходящими от нее внутрь перлитных колоний (см.рис.66)

Видманштеттовый феррит (В.Ф.) обычно возникает при перегреве металла (характеризуется крупным действительным зерном аустенита), часто в металле сварных швов и при условии ускоренного охлаждения изделия. Образование В.Ф. обусловлено стремлением системы к минимуму упругой и поверхностной энергии за счет сочленения пластин (игл) по сходным атомным плоскостям. Пластины В.Ф. образуется внутри зерен аустенита и часто берут начало от полиэдрических зерен феррита.

Эпитаксиальный феррит- феррит, который образуется (точнее выделяется) на уже имеющемся феррите (т.е. без стадии зарождения). Эта структурная составляющая характерна для сталей, которые подвергаются термообработке из межкритического интервала, когда при нагреве металла в межкритическую область перлит (а возможно и часть феррита), превращается в аустенит, а при последующем охлаждении кроме новых, образующихся зерен феррита, на имеющемся (непревращенном при нагреве) феррите происходит эпитаксиальный рост феррита. Наиболее часто эпитаксиальный феррит наблюдается при получении двухфазных (дуальных) сталей (Ф+Б или Ф+М)..

	Рис. 63- Перлит пластинчатый, сталь~1,0% С, после нормализации
	Рис.64 -Перлит глобулярный (сорбит), сталь с ~1,0% С, после сфероидизирующего отжига
	Рис.65 - Феррит + перлит, сталь 45 после полного отжига

х400 х800

Рис.67 -Перлит с выделениями цементита по границам действительного аустенитного зерна(заэвтектоидная сталь после полного отжига)

Классификация видов термической обработки.

Дата добавления: 2014-10-23