Перлит (металлургия)

У этого термина существуют и другие значения, см. Перлит.

Перли́т (от фр. perle «жемчужина») — одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов — сталей и чугунов: представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз — феррита и цементита (в легированных сталях — карбидов).

Перлит (металлургия)
Электронная микрография протравленного шлифа перлита, увеличение 2000X.
Фазы железоуглеродистых сплавов
Феррит [δ] (твёрдый раствор внедрения C в α-железе с объёмно-центрированной кубической решёткой) Аустенит [γ] (твёрдый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решёткой) Цементит (Fe3C, карбид железа; метастабильная высокоуглеродистая фаза) Графит стабильная высокоуглеродистая фаза
Структуры железоуглеродистых сплавов
Ледебурит (эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит) Мартенсит (сильно пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе с объёмно-центрированной тетрагональной решёткой) Перлит (эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита) Сорбит (дисперсный перлит) Троостит (высокодисперсный перлит) Бейнит (устар.: игольчатый троостит) — ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа
Стали
Конструкционная сталь (до 0,8 % C) Высокоуглеродистая сталь (до ~2 % C): инструментальная, штамповая, пружинная, быстрорежущая Нержавеющая сталь (легированная хромом) Жаростойкая сталь Жаропрочная сталь Высокопрочная сталь
Чугуны
Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит) Серый чугун (графит в форме пластин) Ковкий чугун (графит в хлопьях) Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов) Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)

Характеристики

Атомно-зондовая томография перлита: красные точки — положение атомов углерода, атомы железа не показаны, нанотрубка показана для масштаба

Перлит является продуктом эвтектоидного распада (перлитного превращения) аустенита при сравнительно медленном охлаждении железоуглеродистых сплавов ниже 727 °C. При этом γ-железо переходит в α-железо, растворимость углерода в котором составляет от 0,006 до 0,025 %; избыточный углерод выделяется в форме цементита или карбидов. В зависимости от формы различают перлит пластинчатый (основной вид перлита; обе фазы имеют форму пластинок) и зернистый (округлые зёрнышки, или глобули, цементита располагаются на фоне зёрен феррита). С увеличением переохлаждения растёт число колоний перлита, то есть участков с однообразной ориентацией пластинок феррита и цементита (карбидов), а сами пластинки становятся более тонкими. Механические свойства перлита зависят в первую очередь от межпластиночного расстояния (суммарная толщина пластинок обеих фаз): чем оно меньше, тем выше значение предела прочности и предела текучести и ниже критическая температура хладноломкости. При перлитной структуре облегчается механическая обработка стали. Дисперсные разновидности перлита называют сорбитом и трооститом.

Перлитное превращение

Распределение перлита в стали в зависимости от содержания углерода.

Перлит на фазовой диаграмме железо-углерод

Перлитное превращение — эвтектоидное превращение (распад) аустенита, происходящее ниже 727°С (по другим источникам 723°С) и заключающееся в одновременном зарождении и росте внутри аустенита (ɣ-фаза) двух новых фаз: феррита (ɑ-фаза) и цементита (Fe₃C) имеющих пластинчатую форму. Схематически процесс описывается формулой:

ɣ→ɑ+Fe₃C

Перлитное превращение происходит в сталях, содержащих более 0,025 %С (по массе), а также в белых и серых чугунах (за исключением чугунов на ферритной металлической основе).

Структура, образующаяся в результате превращения, называется перлитом и она состоит из тонких чередующихся пластинок (кристаллов) феррита и цементита. Составы всех трёх фаз при медленном охлаждении строго определён: в нелегированной стали или чугуне

• аустенит содержит 0,8 %С
• перлит состоит из:
  • феррит — 0,025 %С
  • цементит — 6,67 %С (по массе).

Отсюда следует, что пластинки феррита в 7,3 раза толще пластинок цементита.

При снижении температуры ниже 727°С скорость превращения увеличивается, достигает максимума при ~550°С и затем уменьшается, падая почти до нуля при ~200°С. Чем ниже температура превращения тем меньше толщина пластинок и выше прочностные свойства. Абсолютная толщина пластинок перлита (межпластинчатое расстояние, период структуры) меняется обычно от нескольких мкм (и тогда их можно различить в рядовом оптическом микроскопе), до десятых долей мкм (пластинки обнаруживаются только при максимальных разрешениях) и до сотых долей мкм (необходим уже электронный микроскоп). Соответствующие дисперсные разновидности перлита называют также сорбит и троостит.

Скорость охлаждения влияет на структуру и свойства смеси феррит + цементит. В результате можно получить качественно одинаковые, но различно называющиеся:

• Перлит — получается при медленном охлаждении, обычно вместе с обладающей тепловой инерцией массивной печью, то есть при отжиге. Примерные свойства: твёрдость — 200 HB, предел прочности — 600 МПа, предел текучести — 300 МПа.
• Сорбит — получается при охлаждении на воздухе (нормализация). Твёрдость — 300 HB, предел прочности — 1000 МПа, предел текучести — 500 МПа.
• Троостит — получается при более высокой скорости охлаждения, обычно в каком-либо минеральном масле. Твёрдость — 400 HB, предел прочности — 1400 МПа, предел текучести — 700 МПа.
• Бейнит — ультра дисперсионный перлит. Твёрдость — 40 — 55 HRС.

Литература

• Перлит // Большая советская энциклопедия в 30 тт.
• Бунин К. П., Баранов А. А. Металлография. — М.: Металлурия, 1970.
• Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение, М., 1990