Лamelлярная структура перлита и цементита в сталях

Введение

Ламельная структура феррита и цементита. Аморфное вулканическое стекло.

Перлит – двухфазная ламельная (или слоистая) структура, состоящая из чередующихся слоев феррита (87,5 мас.%) и цементита (12,5 мас.%), которая встречается в некоторых сталях и чугунах. При медленном охлаждении железоуглеродного сплава перлит образуется в результате эвтектоидной реакции при охлаждении аустенита ниже (температуры эвтектоида). Перлит – микроструктура, наблюдаемая во многих распространенных марках сталей.

Состав

Эвтектоидный состав аустенита составляет приблизительно 0,8% углерода; сталь с меньшим содержанием углерода (гипоэвтектоидная сталь) будет содержать соответствующую долю относительно чистых ферритных кристаллитов, которые не участвуют в эвтектоидной реакции и не могут превращаться в перлит. Аналогично, стали с более высоким содержанием углерода (гиперевтектоидные стали) будут формировать цементит до достижения эвтектоидной точки. Доля феррита и цементита, образующихся выше эвтектоидной точки, может быть рассчитана на основе диаграммы фазового равновесия железо/железо-карбид с использованием правила рычага. Стали с перлитной (эвтектоидный состав) или близкой к перлитной микроструктурой (близкий к эвтектоидному составу) могут быть вытянуты в тонкую проволоку. Такая проволока, часто скручиваемая в канаты, коммерчески используется в качестве струн для фортепиано, канатов для подвесных мостов и стальной корда для армирования шин. Высокая степень протяжки проволоки (логарифмическое удлинение более 3) приводит к получению перлитной проволоки с пределами текучести в несколько гигапаскалей. Это делает перлит одним из самых прочных конструкционных объемных материалов на Земле. Некоторые гиперевтектоидные перлитные стальные проволоки, подвергаемые холодной вытяжке до истинных (логарифмических) удлинений более 5, могут даже демонстрировать максимальную прочность на разрыв выше. Хотя перлит используется во многих инженерных приложениях, природа его исключительной прочности до конца не изучена. Недавно было показано, что холодная вытяжка проволоки не только упрочняет перлит, уточняя структуру ламелей, но и одновременно вызывает частичное химическое разложение цементита, связанное с увеличением содержания углерода в ферритной фазе, деформационно-индуцированными дефектами решетки в ферритных ламелях и даже структурным переходом от кристаллического к аморфному цементиту. Деформационное разложение и микроструктурные изменения цементита тесно связаны с рядом других явлений, таких как сильное перераспределение углерода и других легирующих элементов, таких как кремний и марганец, как в цементите, так и в ферритной фазе; изменение механизма деформационного приспособления на фазовых границах из-за изменения градиента концентрации углерода на границах; и механическое легирование. Перлит был впервые идентифицирован Генри Клифтоном Сорби и первоначально назван сорбитом, однако сходство микроструктуры с перламутром и, особенно, оптический эффект, вызванный масштабом структуры, сделали альтернативное название более популярным. Баинит – это аналогичная структура с ламелями, значительно меньшими, чем длина волны видимого света, и поэтому лишенная этого жемчужного блеска. Он получается более быстрым охлаждением. В отличие от перлита, образование которого включает диффузию всех атомов, баинит растет посредством бездиффузионного (сдвигового) механизма. Превращение перлита в аустенит происходит при нижней критической температуре. При этой температуре перлит превращается в аустенит в результате процесса нуклеации.

The eutectoid composition of austenite is approximately 0.8% carbon; steel with less carbon content (hypoeutectoid steel) will contain a corresponding proportion of relatively pure ferrite crystallites that do not participate in the eutectoid reaction and cannot transform into pearlite. Likewise steels with higher carbon content (hypereutectoid steels) will form cementite before reaching the eutectoid point. The proportion of ferrite and cementite forming above the eutectoid point can be calculated from the iron/iron—carbide equilibrium phase diagram using the lever rule. Steels with pearlitic (eutectoid composition) or near pearlitic microstructure (near eutectoid composition) can be drawn into thin wires. Such wires, often bundled into ropes, are commercially used as piano wires, ropes for suspension bridges, and as steel cord for tire reinforcement. High degrees of wire drawing (logarithmic strain above 3) leads to pearlitic wires with yield strengths of several gigapascals. It makes pearlite one of the strongest structural bulk materials on earth. Some hypereutectoid pearlitic steel wires, when cold wire drawn to true (logarithmic) strains above 5, can even show a maximal tensile strength above Although pearlite is used in many engineering applications, the origin of its extreme strength is not well understood. It has been recently shown that cold wire drawing not only strengthens pearlite by refining the lamellae structure, but also simultaneously causes partial chemical decomposition of cementite, associated with an increased carbon content of the ferrite phase, deformation induced lattice defects in ferrite lamellae, and even a structural transition from crystalline to amorphous cementite. The deformation induced decomposition and microstructural change of cementite is closely related to several other phenomena such as a strong redistribution of carbon and other alloy elements like silicon and manganese in both the cementite and the ferrite phase; a variation of the deformation accommodation at the phase interfaces due to a change in the carbon concentration gradient at the interfaces; and mechanical alloying. Pearlite was first identified by Henry Clifton Sorby and initially named sorbite, however the similarity of microstructure to nacre and especially the optical effect caused by the scale of the structure made the alternative name more popular. Bainite is a similar structure with lamellae much smaller than the wavelength of visible light and thus lacks this pearlescent appearance. It is prepared by more rapid cooling. Unlike pearlite, whose formation involves the diffusion of all atoms, bainite grows by a displacive transformation mechanism. The transformation of pearlite to austenite takes place at lower critical temperature of At this temperature pearlite changes to austenite because of nucleation process.

Сталь эутектоидная

Эвтектоидные стали в принципе могут быть полностью преобразованы в перлит; гипоэвтектоидные стали также могут быть полностью перлитными, если трансформированы при температуре ниже нормальной эвтектоидной. Перлит может быть твердым и прочным, но не отличается особой вязкостью. Он может обладать износостойкостью благодаря прочной пластинчатой структуре феррита и цементита. Примеры применения включают режущий инструмент, высокопрочную проволоку, ножи, зубила и гвозди.