Химический состав стали и режимы ее кристаллизации и дальнейшей обработки (термообработки, обработки давлением) определяют ее структуру, а структура стали определяет ее свойства, а знание свойств необходимо при проектировании изделий из стали. Поэтому контролю или изучению микроструктуры металлов уделяется много внимания.
Идею для данной статьи мне подал Олег Олегович, читатель из г. Владимира, за что ему огромное спасибо!
Полиморфизм железа
Прежде чем говорить про структуры сталей, хочу напомнить, что из статьи про полиморфизм железа мы знаем, что в твердом состоянии у железа существуют две модификации с разной кристаллической решеткой: модификация с объёмоцентрированной кубической (ОЦК) решеткой (1392—1539 °C и <911°С) и с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой (911—1392 °С)
Высокотемпературную модификацию железа с ОЦК решеткой (1392—1539 °C) также называют δ-железо, чтобы отличать его от низкотемпературной модификации (<911°С). Дальше так и будет – слвосочетание “альфа-железо” будет относиться к низкотемпературной модификации (<911°С).
Если тяжело запомнить, какая решётка у гамма-железа, а какая – у альфа, то могу поделиться способом, который помог запомнить мне, кто есть кто.
Словосочетание «гамма-железо» начинается на «Г», так же как и соответствующая решетка «Гранецентрированная». Словосочетание «альфа-железо начинается на «А», а когда мы говорим слово объемоцентрированная, которое как раз обозначает соответствующую решетку, то получается «Абъемацентрираваная» (говорим, а не пишем) – короче, тоже «А». Итого: у гамма-железа – гранецентрированная решетка, а альфа-железа – объёмоцентрированная.
Вспомнить про модификации железа нужно было, потому что слова «альфа» и «гамма» будут нам встречаться ниже в определениях, а определения я списывал из учебников, ничего не меняя. Из песни, как говорится, слов не выкинешь.
Различная растворимость углерода в ОЦК и ГЦК-железе
Еще одно явление, которое стоит понять – углерод в различных модификациях железа растворяется по-разному: в одной больше, в другой – меньше: растворимость углерода в альфа-железе менее 0,02%, а в гамма железе –до 2% [1, стр. 145].
Если осмотреть на решетки ОЦК и ГЦК с точки зрения геометрии, то сразу станет понятно, почему углерод в низкотемпературной модификации ОЦК-железа растворяется хуже, чем в ГЦК-железе:
1. Параметр решетки (проще говоря, грань куба) в γ-железе составляет около 3,6-3,7 Å (0,36-0,37 нм), а в α-железе – около 2,9 Å (0,29 нм). Получается, объем куба в случае γ-железа больше.
Зависимость параметра решетки железа от температуры [2]
2. Диаметр атома углерода 0,154 нм [1, стр. 146]. В α-решетке есть 12 свободных мест в середине ребер куба, размер этих “пор” составляет 0,062 нм [1, стр. 146]. Явно, просто так углерод сюда не влезет. В центре решетки γ-железа есть “пора” диаметром 0,102 нм, [1, стр. 146]. Если соседи (атомы железа) чуть подвинутся, для углерода будет место. В тесноте да не в обиде.
Когда мы медленно охлаждаем сталь, углеродистую например, с 1000°С до 800°С, структура перестраивается с ГЦК в ОЦК, а следовательно, углероду становится тесновато. Тогда часть атотмов углерода, которые уже не помещаются, прихватывают с собой по три атома железа и уходят из решетки, образуя самостоятельное соединение – цементит Fe3C. Это как в переполненном автобусе: если неудачно стоите, вас выносят с собой на ближайшей остановке.
А теперь к теме статьи – к структурам.
Структуры сталей
В сталях можем видеть следующие структуры:
Естественно, что тема эта очень обширная и ей посвящен не один учебник, а эта классификация затрагивает далеко не все возможные структуры (бейнитный феррит, вырожденный перлит и т.п.), но для общего представления, думаю, достаточно. Для более глубокого понимания и детального изучения, конечно, стоит почитать соответствующую литературу типа [1, 3], на которую я и буду ссылаться далее с приведением конкретных страниц.
Собственно, для того блог и сделан, чтобы упорядочить информацию и всегда иметь под рукой отправные точки – ссылки с указанием страниц, где можно посмотреть более подробно.
Ниже привожу таблицу с определениями и типичными изображениями микроструктур.
| Название | Определение, описание | Пример |
| Аустенит | Это твердый раствор углерода и других элементов в γ-железе [1, стр. 146]. Более сложное определение из [3, стр. 74]: «термин аустенит применяют для определения первичного твердого раствора, который образует гранецентрированное кубическое γ-железо с большинством металлов и некоторыми неметаллическими элементами». |  [3, стр. 136] Ширина кадра ~800 мкм. Оптический микроскоп. |
| Феррит | Твердый раствор углерода и других элементов в α-железе [1, стр. 146].Вот посложнее [3, стр. 76] :
“Ферритом называют объемоцентрированную кубическую модификацию железа (α-железо), которая устойчива при низких температурах и исчезает приблизительно при 910°С. Термин «феррит» применяется также для описания твердых растворов, образованных многими металлами и металлоидами, в частности, углеродом, с α -железом.” |
 [3, стр. 141] Ширина кадра ~800 мкм. Оптический микроскоп. |
| Цементит | Цементит – «химическое соединение углерода с железом» (карбид железа) с формулой Fe3C [1, стр. 147-148]. | см. в ниже в структуре перлита |
| Перлит | «Эвтектоидная смесь феррита и цементита» [1, стр. 151]. «Две фазы – феррит и цементит, образуются в виде чередующихся пластинок, которые растут одновременно от границ по направлению к центру аустенитных зёрен» [3, стр. 77]. |  [3, стр. 203] Ширина кадра ~160 мкм. Оптический микроскоп. |
| Сорбит | Перлит тонкого строения [1, стр. 220], т.е. пластинки феррита и цементита тоньше, чем у обычного перлита. Появляется при более высоких степенях переохлаждения, чем при образовании обычного перлита. |  [3, стр. 158]. Ширина кадра ~16 мкм. Электронный микроскоп. |
| Троостит | Также феррито-цементитная смесь пластинчатого строения, но еще более тонкого строения по сравнению с сорбитом. Появляется при еще более высоких степенях переохлаждения. |  [3, стр. 160]. Ширина кадра ~16 мкм. Электронный микроскоп. |
| Зернистый перлит | Феррито-цементиная смесь. Цементит находится в феррите в форме зернышек. |  [3, стр. 159] Ширина кадра ~160 мкм. Оптический микроскоп. |
| Мартенсит | Продукт фазового превращения, происходящего по сдвиговому, бездиффузионному механизму [1, стр. 229]. |  [3, стр. 182] Ширина кадра ~80 мкм. Оптический микроскоп. |
| Бейнит | Продукт промежуточного превращения. Имеет как признаки превращения по сдвиговому механизму, так и по диффузионному. |  Зернистый бейнит [3, стр. 167] Ширина кадра ~160 мкм. Оптический микроскоп. |
Феррит
| Полигональный феррит
[3, стр. 141] Ширина кадра ~800 мкм. |
 Видманштедтов феррит (белый) [3, стр. 151]. Ширина кадра ~800 мкм. Оптический микроскоп.
|
Образование феррита начинается по границам зерен переохлажденнного аустенита [3, стр. 6 ]. Как мы уже знаем из статьи про полиморфизм железа, перестройка решетки является энергетически выгодным процессом: свободная энергия феррита меньше свободной энергии аустенита:
Рис. Изменение свободной энергии модификаций железа [1, стр. 146]
Видманштедтов феррит появляется при достаточно быстром охлаждении от температуры выше А3 (см. диаграмму Fe-C), но не таком быстром, чтобы прошло бейнитное или мартенситное превращение. Что-то между. В плоскости шлифа феррит выглядит как иглы (см рис. выше).
Перлит
Образуется при медленном охлаждении сталей с содержанием углерода более 0,02% [3]. Перлит похож на слоистую смесь: чередующиеся пластины феррита и цементита (как фанера). Именно в цементит и уходит углерод при превращении железа из α в γ.
 [3, стр. 156] Ширина кадра ~160 мкм. Оптический микроскоп.
По границам бывших зерен аустенита виден феррит (белый) остальное – перлит (темный). |
 [3, стр. 156] Ширина кадра ~160 мкм. Оптический микроскоп. |
Пластинчатый перлит. Однородный по химическому составу аустенит всегда превращается в перлит пластинчатого строения [1, стр. 221]. Например, при термической обработке, когда мы нагреваем сталь от комнатной температуры до относительно высоких температур (выше Ас3), получаем гомогенный (однородный по хим. составу) аустенит, поскольку интенсивно протекают процессы диффузии: атомы растворенных химических элементов идут из мест, где их больше, в места, где их меньше. При медленном охлаждении такого аустенита получим пластинчатый перлит.
Троостит. Появляется при скоростях охлаждения чуть меньше υк (критическая скорость охлаждения по достижении которой начинается мартенситное превращение). Пластинки различимы только в электронном микроскопе, который большие увеличения по сравнению с оптическим микроскопом.
Зернистый перлит. Неоднородный по химическому составу аустенит (где-то больше одного хим. элемента, где-то – другого) превращается в зернистый перлит. Например, при нагреве заэвтектоидной стали (углерода больше 0,8) ниже Ас3 (см. диаграмму железо-углерод) всегда при последующем охлаждении получим зернистый перлит [1, стр. 221].
[3, стр. 159] Ширина кадра ~45 мкм. Оптический микроскоп.
Все эти структуры: перлит, сорбит, троостит, зернистый перлит, – имеют одну и ту же природу. Это смеси феррита и цементита. Отличаются они лишь формой и размерами частиц цементита – пластинок или зерен.
Мартенсит
 [3, стр. 184] Ширина кадра ~160 мкм. Оптический микроскоп. |
 [3, стр. 183] Ширина кадра ~160 мкм. Хорошо видны рейки мартенсита. Крупные белые участки – остаточный аустенит. Оптический микроскоп. |
Мы рассмотрели, как протекает медленное превращение. Существует критическая скорость охлаждения стали, при которой (или больше нее) происходит интересная вещь: железо все равно перестраивает свою структуру, но уже не по диффузионному, а по сдвиговому механизму. Сталь резко охладили, и по законам природы вроде бы нужно при меньших температурах иметь другую кристаллическую решетку. Вот она и перестраивается, только резко, и атомы меняют свое положение целыми группами.
Представим ряды солдат (атомы Fe), среди которых стоят гражданские (атомы С).
Солдатам отдан приказ перестроиться в определенную фигуру – и они перестраиваются, а гражданские, ничего не понимая, стоят на месте. Таким образом, структура изменилась, а углерод из нее никуда не делся. В металле не произошло оттока углерода из кристаллической решетки по диффузионному механизму с образованием цементита. То есть теперь мы имеем пресыщенный твердый раствор углерода уже в α-железе, который образовался по бездиффузионному сдвиговому механизму. Это и есть мартенсит. Концентрация углерода в мартенсите такая же, как и в исходном аустените.
Получается вот что: углерод остался сидеть в решетке, а превращение прошло, и решетка перестроилась. Что тогда с решеткой-то творится, если в ней места для углерода нет?
А вот что: наш куб (ОЦК) вытягивается и получается параллелепипед. Объем стал больше, и теперь есть где сесть углероду. Кристаллическая решетка уже не ОЦК, а объемоцентрированная тетрагональная (ОЦТ) [1, стр. 230].
Мартенсит, согласно [Стр. 232], классифицируют на два основных типа – пластинчатый и реечный.
Бейнит
| Зернистый бейнит
[3, стр. 167] Ширина кадра ~800 мкм. |
 Нижний бейнит
[3, стр. 173] Ширина кадра ~800 мкм. |
Структура, которая образуется по промежуточному механизму (есть следы как сдвигового превращения, так и диффузионного). Рассмотрим ту же аналогию с солдатами и гражданскими лицами. Среди гражданских (атомов C) нашлись те, кто почуял неладное и выбежал из строя (вышли из решетки по диффузионному механизму), а часть – не успели (остались в твердом растворе), солдаты же в это время перестроились по заготовленному сценарию.
Чаще всего бейнит представляет собой смесь феррита в виде реек и цементита или остатков непревращённого аустенита (остаточного аустенита), которые окантовывают эти ферритные рейки.
Аустенит
 [3, стр. 136] Хорошо видны термические двойники внутри зерна аустенита, которое даже в кадр не поместилось. Ширина кадра ~160 мкм. Оптический микроскоп |
[3, стр. 183] Ширина кадра ~160 мкм.
Крупные белые участки – остаточный аустенит. Оптический микроскоп. |
Остаточный аустенит. Аустенит может оставаться в структуре после закалки, потому что не успел превратиться в мартенсит или бейнит:”бейнит и мартенсит часто содержат некоторое количество непревращенного аустенита” [3, стр. 75]. Такой аустенит называется остаточным аустенитом. В простых углеродистых сталях это количество обычно мало, но вот в легированных его уже может быть значительное количество, поскольку многие легирующие элементы, такие как марганец и элементы VIII группы таблицы Менделеева , [3, стр 74], увеличивают устойчивость аустенита.
Аустенит в виде зерен можно увидеть только у сталей с повышенной устойчивостью аустенита (т.е. в которой помимо железа имеется еще высокое содержание легирующих элементов типа хрома и никеля): в этих сталях при быстром охлаждении превращения аустенита в феррит не происходит. У обычных углеродистых или малолегированных сталей при охлаждении мы будем получать феррит, перлит, бейнит или мартенсит в зависимости от скорости охлаждения.
Например, в стали с 18% Сr и 8%Ni быстрым охлаждениемот температур порядка 1100°С можно стабилизировать аустенит, который будет существовать и при комнатных температурах. Данное состояние при комнатных температурах не очень-то естественно для металла: мы ведь охладили его быстро, не дав никакого шанса атомам, сидящих в решетке (находящихся в твердом растворе) покинуть аустенит, поэтому металл находится в напряжении. Происходит деформация металла вследствие напряжений сжатия: в решетке зерен сидит углерод, который искажает решетку, а сами зерна давят друг на друга, т.е. каждое зерно подвергается сжатию. Эта деформация сжатия вызывает появление большого количества двойников [3, стр. 112]. Что такое двойники, мы уже знаем из статьи про сложности при определении размера зерна.
Все. Ура! Наконец-то закончил! Надеюсь, статья будет полезной. Если есть замечания, пишите.
С уважением,
Максим Терентьев
>>> Подписаться на обновления блога.
Ссылки:
1. Гуляев А.П. — Металловедение, М. «Металлургия», 1986, 282 с.
2.Kohlhaas R., Dünner P., Schmitz-Pranghe N. – Z. angew. Phys.. 1967. 23. №3. 245-249
3. Металлография железа. Том 1. “Основы металлографии”. Перев. с англ. М: “Металлургия”, 1972, 240 с.
Добавить комментарий