ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ НАГРЕВЕ

В основе всех превращений, которые совершаются в стали при нагреве, лежит стремление системы к минимуму свободной энергии (рис. 2). Теоретически превращение перлита в аустенит должно совершаться при температуре А₁, т. е. при 727° С. Фактически же для этого превращения нужен перегрев, так как экспериментально было установлено, что даже при обычных скоростях нагрева температура критических точек А₁и А₃ повышается.

Рис. 2. Изменение свободной энергии аустенита (1) и перлита (2) в зависимости от температуры

Кроме того, чем выше температура, тем быстрее совершается превращение. Превращение перлита в аустенит сопровождается полиморфным превращением Fe_α ↔Fe_γ, а также растворением цементита Fе₃С в аустените. Для исследования процессов, происходящих при нагреве стали, строят диаграммы изотермического образования аустенита. Для этого образцы нагревают до температуры выше А₁и выдерживают при ней, фиксируя начало и конец превращения. На рис. 3 приведена такая диаграмма для стали с 0,8% С.

Превращение начинается с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела феррит—цементит (рис. 3 А). Экспериментально аустенит обнаруживается уже при небольших перегревах (выше 727° С) и очень малых выдержках. (По данным некоторых исследователей, в процессе превращения перлита в аустенит инкубационный период отсутствует, т. е. превращение начинается сразу при нагреве до температуры несколько выше точки А₁(линия I на рис. 3). Это объясняется тем, что в стали поверхность раздела феррит — цементит сильно развита.

Время превращения перлита в аустенит при изотермической выдержке существенно зависит от температуры. Это наглядно показывают кривые начала (1) и конца (2) превращения (см. рис. 3). Объясняется это тем, что с увеличением степени перегрева относительно А₁уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличивается скорость возникновения зародышей и линейная скорость их роста.

Правее линии 1происходит образование зародышей аустенита на поверхности раздела феррита и цементита в перлите (схема А ). Образующиеся зерна аустенита вначале имеют такую же концентрацию углерода, как и исходная фаза — феррит, так как полиморфное превращение протекает с большей скоростью, чем диффузия углерода. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита — цементит (см. рис. 3, область между линиями 2 и 3, схемы Б, В), содержание углерода в аустените увеличивается. К концу превращения в тех местах, где находились пластинки цементита, концентрация углерода в аустените становится более высокой по сравнению с участками, в которых до превращения был феррит. Поэтому для выравнивания состава аустенита требуется некоторое время, зависящее от температуры — чем выше температура, при которой совершалось превращение П→А, тем быстрее завершится диффузионный процесс перераспределения углерода в аустените (с ростом температуры нагрева уменьшается скачок концентраций на границе аустенит — феррит— линии GP и GS сближаются).

Рис. 3. Диаграмма изотермического образования аустенита:

1 — начало образования аустенита; 2 — конец превращения перлита в аустенит; 3 — полное растворение цементита; а, б — точки начала превращения перлита в аустенит при нагреве со скоростями υ1 и υ2 (υ1>υ2); А, Б, В, Г — последовательные стадии превращения перлита в аустенит

Влияние скорости нагрева на продолжительность превращения характеризуется лучами υ₁и υ₂. При меньшей скорости нагрева (луч υ ₂) превращение П—А произойдет при более низких температурах по сравнению с более быстрым нагревом (луч υ₁).

На скорость превращения перлита в аустенит влияет также степень дисперсности перлита — чем мельче пластинки цементита, тем быстрее образуется аустенит, так как в этом случае больше межфазная поверхность феррита с цементитом. Перлито-аустенитное превращение сопровождается уменьшением удельного объема примерно на 1%, поэтому происходит фазовый наклеп аустенита, т. е. деформация его кристаллической решетки.

Таким образом, превращение совершается только в стали эвтектоидного состава. Доэвтектоидные стали после нагрева выше Ас₁ состоят из аустенита и феррита и только после нагрева выше Ас₃ (линия GOS) сталь приобретает строение однородного аустенита.

При нагреве заэвтектоидных сталей выше Ас₁ вначале превращение протекает так же, как и в эвтектоидных сталях, т. е. перлит будет превращаться в аустенит. Затем по мере дальнейшего нагревания в аустените постепенно растворяется Ц_II. Выше температуры А_ст (линия SE) этот процесс заканчивается, и сталь также приобретает однофазную структуру аустенита.

В углеродистых сталях образование аустенита и его гомогенизация протекают достаточно быстро — в течение нескольких минут. В легированных сталях для этих процессов требуется больше времени, так как концентрация легирующих элементов в феррите и карбидах различна, и поэтому образующийся аустенит неоднороден не только по углероду, но и по концентрации легирующих элементов, скорость диффузии которых на несколько порядков меньше скорости диффузии углерода.

Начальные зерна аустенита всегда мелкие, так как в каждой перлитной колонии одновременно зарождается несколько центров кристаллизации аустенита (см. схему на рис. 3). При дальнейшем нагреве зерна аустенита растут, причем в различных сталях с различной скоростью.

Стали различают по склонности к росту зерна аустенита при нагреве. Если зерно аустенита начинает быстро расти даже при незначительном нагреве выше A₁ то сталь считают наследственно крупнозернистой; если зерно растет только при большом перегреве, то сталь является наследственно мелкозернистой. Даже стали одной марки, но разных плавок могут сильно различаться по склонности к росту аустенитного зерна. Это объясняется тем, что они содержат различное количество неметаллических включении (окислов, нитридов, сульфидов и т. п.), которые могут затруднять рост аустенитного зерна при нагреве. Таким образом, склонность к росту аустенитного зерна является плавочной характеристикой.

Такие элементы, как ванадий, титан, молибден, вольфрам, алюминий, уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а марганец и фосфор увеличивают ее. Заэвтектоидные стали, как правило, менее склонны к росту зерна. Условия выплавки стали также имеют большое значение, например кипящая сталь обычно бывает наследственно крупнозернистой.

При последующем охлаждении зерна аустенита не измельчаются. Это следует учитывать при назначении режимов термической обработки, так как от размеров зерна существенно зависят механические свойства. Так, например, ударная вязкость мелкозернистой стали может в несколько раз превышать ударную вязкость крупнозернистой стали той же марки.

Различают величину зерна наследственного и действительного.

Для определения наследственного зерна образцы нагревают до 930°С (проявляется склонность стали к росту зерна) и затем определяют размер зерна. От размера зерна аустенита зависит поведение нагретой стали в различных процессах термической обработки и пластической деформации. Особенно чувствительна к размеру зерна аустенита ударная вязкость.

Действительная величина зерна — это размер зерна при обычных температурах, полученный после той или иной термической обработки.

Существует стандартная шкала величины зерна, согласно которой величину зерна характеризуют номером по восьмибалльной системе. Величину зерна определяют под микроскопом при увеличении в 100 раз и сравнивают с размерами зерна стандартной шкалы. Стали, имеющие зерно до номера 4, считают крупнозернистыми, а имеющие номер 5—8 — мелкозернистыми.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: