ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ

Если сталь охлаждать очень медленно, то происходящие превращения можно установить, пользуясь диаграммой состояния Fe — Fe₃C. При 727°С (А₁)должно происходить эвтектоидное превращение Fe_γ(C)→Fe_α (С) + Fe₃C.

Термодинамическим условием этого превращения является некоторая степень переохлаждения (охлаждение ниже А₁), когда свободная энергия перлита становится меньше свободной энергии аустенита (см. рис. 2).

При охлаждении стали с большей скоростью кинетику и механизм превращения аустенита выясняют с помощью постановки специальных экспериментов. Рассмотрим закономерность превращения переохлажденного аустенита стали эвтектоидного состава (0,8% С). Образцы из этой стали (так же, как и образцы из любой другой стали) нагревают до температуры, при которой ее структура состоит из однородного аустенита. Из диаграммы Fe — Fe₃C видно, что это температура порядка 770°С. Затем образцы быстро переносят в термостаты с заданной температурой, меньшей A₁(интервал между изотермами обычно 25—50° С), и в процессе изотермической выдержки наблюдают за происходящими в аустените превращениями. Наблюдения можно проводить, пользуясь различными методами: измеряя твердость, электросопротивление, магнитные характеристики и т. п.

Превращение аустенита можно легко обнаружить с помощью наблюдений за изменениями магнитных характеристик образца, так как аустенит парамагнитен, а образующаяся механическая смесь феррита и цементита обладает ферромагнитными свойствами.

В результате получают серию кинетических кривых (см. рис. 4 а). По оси абсцисс откладывают время, по оси ординат—процент превратившегося аустенита. Вначале наблюдается инкубационный или подготовительный период — время, в течение которого сохраняется переохлажденный аустенит (Оа₁ Оа₂ и т. д.). Точки а — это начало превращения, они соответствуют превращению 0,5—1% аустенита. Характер кривой показывает, что превращение протекает с различной скоростью и достигает максимума при образовании примерно 50% продуктов превращения. После получения около 70% продуктов превращения скорость начинает уменьшаться и постепенно затухает по мере приближения к 0% количества оставшегося аустенита (b₁,b ₂, b₃ и т. д.).

С увеличением степени переохлаждения устойчивость переохлажденного аустенита уменьшается (Oa₁>Oa₂>Оа₃ ), но достигнув минимума при переохлаждении ниже А₁на 150—200°С, вновь увеличивается (Oa₄< <Oа₅<Oа₆).

Рис. 4. Кинетические кривые изотермического превращения аустенита (а) и построенная по ним диаграмма (б)

По полученным экспериментальным точкам строят диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита в координатах t — lgτ (см. рис. 4 б). На этой диаграмме левая кривая (а₁ а₂ а₃ а₄ а₅ а₆) является границей начала превращения переохлажденного аустенита, она показывает зависимость величины инкубационного периода от степени переохлаждения. Правая кривая (b₁b₂b₃b₄b₅b₆) показывает конец превращения аустенита, т. е. зависимость времени, необходимого для полного превращения аустенита, от степени переохлаждения.

Такие диаграммы обычно называют диаграммами изотермического превращения аустенита, а также С-образными диаграммами за сходство кривых начала и конца превращения аустенита с буквой С. (В переводе с англ. ТТТ-диаграммы — time — temperature — transformation (время — температура—превращение), что правильно отражает их сущность. Впервые диаграмма изотермического распада аустенита в стали была построена в 1930 г. Бейном и Давенпортом.

На рис. 5 приведена диаграмма изотермического превращения аустенита для эвтектоидной стали (0,8% С).

Перлитное превращение происходит в верхней части диаграммы (выше 500° С). Сущность превращения заключается в том, что в результате превращения аустенита образуется механическая смесь двух фаз — феррита и цементита, состав которых отличается от состава исходного аустенита. Исходный аустенит содержит 0,8% С, а образующиеся фазы — феррит ~0,02% С, цементит 6,67% С.

Рис. 5. Диаграмма изотермического превращения аустенита для эвтектоидной стали (0,8% С):

А— устойчивый аустенит; А _п — аустенит, переохлажденный ниже А₁, Ф— феррит; Ц — цементит

Рис. 6. Скорость распада аустенита v в зависимости от степени переохлаждения: D — скорость диффузии; Δ F — разность свободных энергий

Следовательно, это превращение является диффузионным. В то же время, как было показано, время устойчивости аустенита и скорость его превращения зависят от разности свободных энергий Δ F=F_A — F_П, т. е. от степени переохлаждения.

Скорость диффузии D и разность свободных энергий Δ F зависят от степени переохлаждения противоположно: скорость диффузии экспоненциально уменьшается по мере понижения температуры превращения, а разность свободных энергий увеличивается (рис. 6).

Максимальная скорость превращения соответствует переохлаждению ниже А₁на 150—200 град, т. е. соответствует минимальной устойчивости аустенита. При дальнейшем понижении температуры значительно уменьшается скорость диффузии, благодаря чему увеличивается устойчивость аустенита. Кривые начала и конца превращения сдвигаются вправо (см. рис. 4, б; 5).

Механизм перлитного превращения. При образовании из аустенита перлита ведущей фазой является цементит (в зерне аустенита всегда имеются флуктуационные обогащения углеродом, особенно вблизи границ зерна).

Зарождение цементитного зародыша облегчено на границе аустенитных зерен, так как здесь меньше работа образования критического зародыша. Образовавшаяся пластинка цементита растет, удлиняется и тем самым обедняет соседние участки аустенита углеродом. Поэтому рядом с пластинкой цементита — вдоль нее — образуется пластинка феррита. Такой кооперативный рост двухфазной колонии в результате диффузионного перераспределения компонентов — наиболее характерная особенность перлитного превращения. Перлит занимает объем больше, чем аустенит, поэтому по мере роста перлитной колонии в аустените возникают напряжения. Это вызывает образование пластинок перлита уже с другой ориентацией (рис. 7, 8).

Рис. 7. Схема образования перлита

Рис. 8. Микроструктуры, характеризующие процесс образования перлита из аустенита при 705° С (Бейн), Х 500. Время превращения, с: а —400; б— 1150; в— 1320; г — 1450; д — 4000

Поскольку с увеличением степени переохлаждения растет число зародышей новых зерен, количество феррито-цементитных пластинок увеличивается, а их размеры и расстояния между ними сильно сокращаются. Дисперсность образующихся фаз увеличивается также и вследствие уменьшения скорости диффузии с переохлаждением.

Перлит, сорбит, троостит представляют собой механическую смесь феррита и цементита. Эти структуры различаются только степенью дисперсности карбидной составляющей, т. е. межпластиночным расстоянием, (средняя суммарная толщина соседних пластинок феррита и цементита) которое является важнейшей структурной характеристикой, определяющей механические свойства стали (рис. 9, а — е).

Резкой границы между П, С, Т не существует: по мере понижения температуры постепенно совершается переход от одной структуры к другой. Твердость феррито-цементитной смеси прямо пропорциональна площади поверхности раздела между ферритом и цементитом.

Поэтому с увеличением степени дисперсности фаз увеличивается их твердость (табл. 1).

Таблица. 1 Твердость фаз

Примечание. П.п. — пластинчатый перлит; Т.п. — тонкопластинчатый перлит; С — сорбит; Г — троостит (0,8% С)

Бейнитное превращение

Выше 500° С скорость диффузии достаточна для того, чтобы образовавшийся феррит содержал равновесное количество углерода. Если увеличить степень переохлаждения, то ниже изгиба С-образной кривой образуется игольчатая структура, называемая игольчатым трооститом или бейнитом.

Рис. 9. Структура эвтектоидной стали в зависимости от температуры распада аустенита. Х100: а—в — перлит; г — сорбит; д—е — троостит

Бейнитное превращение называют также промежуточным превращением, поскольку оно происходит при температурах между перлитным —диффузионным превращением и мартенситным — бездиффузионным (ниже линии М_н на диаграмме рис. 5).

Рис. 10. Микроструктуры, характеризующие процесс распада аустенита при температурах, лежащих ниже изгиба С-образной кривой. Температура превращения 260° С (Бейн). Х500. Время превращения, с: а — 400; б — 500; в — 850; г – 900; д — 2500

Главное отличие бейнита от перлитных структур — содержание углерода в феррите. При высоких температурах углерод успевает выделяться из раствора и феррит содержит около 0,01—0,02% С. При низких температурах (примерно 500—250° С) скорости диффузии малы, углерод не успевает полностью выделиться из раствора, поэтому феррит содержит ~ 0,1% С (400° С) и даже ~ 0,2% С (300° С).

Вблизи границы с областью перлитного превращения образуется «верхний» или перистый бейнит («верхний» перистый троостит). Он состоит из чередующихся не всегда параллельных друг другу коротких пластинок цементита и феррита. При температурах порядка 300° С образуется «нижний» или игольчатый бейнит («нижний» игольчатый троостит), напоминающий по своему строению мартенсит.

При больших увеличениях (электронный микроскоп) можно увидеть, что иглы состоят из мельчайших пластинок цементита и феррита. Размер частичек около 0,09— 0,08 мкм. Частицы цементита ориентированы вдоль октаэдрических плоскостей исходного аустенита. Твердость бейнита около HB500.

На рис. 10 показан процесс превращения переохлажденного аустенита в бейнит.

Свойства бейнита «верхнего» и «нижнего» существенно различаются. В первом случае наблюдается плохое сочетание механических свойств — недостаточная прочность при низких значениях б и а_п. Нижний бейнит, образующийся при температурах М_н+(50ч – 110° С), обладает высокой прочностью при хорошем сочетании с пластичностью и вязкостью.

Рис. 11. Диаграммы изотермического превращения аустенита углеродистых и легированных сталей: а — легирующие элементы не образуют карбидов; б — легирующие элементы образуют карбиды

Рис. 12. Зависимость температуры начала мартенситного превращения от содержания легирующих элементов

Для различных марок сталей С-образные диаграммы отличаются расположением линий, т. е. такую диаграмму строят для каждой марки стали.

Легирующие элементы, не образующие карбидов, увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита: на диаграмме изотермического превращения таких сталей линии начала и конца превращения сдвигаются вправо (рис. 11, а) по сравнению с углеродистыми сталями (при одинаковом содержании углерода).

По-разному влияют легирующие элементы и на температуру начала мартенситного превращения. Как правило, они понижают температуру М_н (за исключением кобальта и алюминия, рис. 12).

Карбидообразующие элементы оказывают более сложное влияние на изотермическое превращение аустенита. В этом случае возможны две области минимальной устойчивости аустенита, замедляется образование перлитных структур и ускоряется бейнитное превращение (рис. 11, б).

Кроме приведенных на рис. 12 принципиально различных диаграмм, при введении легирующих элементов в сталь возможны и другие, более сложные диаграммы.

Диаграммы изотермического превращения аустенита, построенные в координатах время — температура, имеют большое практическое значение при назначении режимов термической обработки на практике.

Хотя диаграммы построены в результате изучения изотермического превращения, с их помощью можно анализировать процессы фазовых превращений, протекающие при непрерывном охлаждении. На рис. 5 на диаграмму изотермического превращения аустенита нанесены кривые охлаждения, соответствующие различным режимам. Так, например, для получения структуры сорбита следует проводить охлаждение со скоростью υ₁, а для получения троостита υ₂. Увеличивая скорость охлаждения, можно получить в детали структуру мартенсита.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: