В 1920-х годах американец Эдгар Бейн впервые применил для изучения структуры стали так называемый метод изотермического превращения. «Изотермический»», понятно, означает «при постоянной температуре». Этот метод обычно требует применения тонких образцов стали. Сначала эту тонкую сталь нагревают для превращения ее в аустенит и затем резко охлаждают в жидкой закалочной ванне, обычно в соляном расплаве, и выдерживают при заданной постоянной температуре.
Изотермическое превращение
Поскольку сталь тонкая, она быстро охлаждается до температуры ванны по всему своему объему до того, как аустенит хоть сколько-нибудь начнет распадаться. Затем сталь находится в соляном расплаве до тех пор, пока аустенит полностью не превратится. После этого образец охлаждают до комнатной температуры и изучают под микроскопом.
С помощью этого метода можно получить двумерную карту – диаграмму – типов структур, которые могут образовываться из аустенита во всем диапазоне координат «температура–содержание углерода» на фазовой диаграмме ниже температуры А1. Такая карта-диаграмма показана на рисунке ниже.
Рисунок – Диаграмма изотермического превращения
для обыкновенных углеродистых сталей
Бейнит
С помощью этого метода Бейн с сотрудниками обнаружили, что существует температурный интервал, ниже которого перлит не образуется, а выше которого не образуется мартенсит. Они открыли, что в этом интервале образуется новый тип структуры, который впоследствии назвали бейнитом.
Как видно из рисунка бейнит имеет две основные формы – нижний бейнит и верхний бейнит. Их названия отражают интервал температур, при которых они образуются. Главное отличие между двумя этими структурами заключается в том, что в нижнем бейните карбидные частицы и пластины намного меньше и расположены друг другу намного ближе, чем в верхнем. Перлит никогда не имеет никакого остаточного аустенита в своей структуре. Бейнит, в отличие от перлита, может иметь значительное количество остаточного аустенита, особенно в некоторых легированных сталях.
Влияние кремния в стали на образование бейнита
Иногда в стали добавляют кремний в количествах, которые больше чем его обычный уровень как примеси. В этом случае кремний оказывает значительное влияние на бейнит. Кремний присутствует в больших количествах в некоторых пружинных сталях и во всех чугунах. Это заставляет бейнит в этих металлах содержать большое количество остаточного аустенита, снижая тем самым содержание в них карбидов.
Эпсилон-карбид
Кроме того, кремний изменяет тип карбида в нижнем бейните с Fe3C на Fe2,5C (эпсилон-карбид). Эпсилон-карбид отсутствует на фазовой диагармме железо-углерод, потому что он не является стабильной фазой. Эпислон-карбид – это метастабильная фаза и он может образовываться только в закаленных сталях.
Перлит – доэвтектоидный, эвтектоидный и заэвтектоидный
Изотермическая диаграмма демонстрирует важный момент о перлитных сталях, который часто вызывает много путаницы. А именно — то, что микроструктура стали имеет перлитную форму еще не означает, что сталь имеет содержание углерода 0,77 %. Возьмем для примера сталь с содержанием углерода 0,95 %. Фазовая диаграмма показывает, что если эту сталь резко охладить в температурный интервал 550-650 °С и выдержать там, пока весь аустенит не распадется, то сталь будет иметь 100%-ную перлитную структуру. Различие между структурой этой стали и эвтектоидным перлитом стали У8 с содержанием углерода 0,77 % состоит в том, что цементитные пластины в перлитной стали типа У9 или У10 немного толще. Аналогично, можно получить полностью перлитную структуру в доэвтектоидной стали 60, если охладить ее в интервал температур 550-650 °С и выдержать там до полного распада аустенита. Пластинки цементита в этом «перлите» будут тоньше, чем в перлите стали с содержанием углерода 0,77 %. В обоих случаях, изменение толщины пластин является слишком малым, чтобы его можно было увидеть в световой микроскоп.
Непрерывное охлаждение стали
Диаграмма изотермического превращения не говорит, какая именно структура будет образовываться при непрерывном охлаждении. Под непрерывным охлаждением подразумевается, что образец охлаждают с температуры аустенитизации не резким охлаждением, а извлечением из печи и охлаждением с более низкой скоростью, например, на воздухе или охлаждением в масле.
Нормализация стали
Охлаждение на воздухе обычно называют нормализацией. Как следует из названия, в этом случае непрерывное охлаждение означает температура стали снижается постепенно – нормально, а не так резко как при охлаждении в воде. Эксперименты показывают, что при быстром охлаждении воздухом сталей У9 и У10 получается полностью перлитная структура, а стали 60 – нет. Сталь 60 будет иметь феррит по границам первичных аустенитных зерен, который будет окружен перлитом.
Когда скорость охлаждения стали увеличивается выше той, что дает сжатый воздух, в стали будет образовываться бейнит. Возникнет смесь различных структур – феррита, перлита, бейнита, а часто и мартенсита.
