3. Превращения в стали при нагреве. Образование аустенита

Превращение перлита в аустенит в точном соответствии с диаграм­мой происходит лишь при очень медленном нагреве. В реальных ус­ловиях превращение запаздывает и имеет место перегрев.

Скорость превращения перлита в аустенит зависит от степени перегрева. Чем выше температура, тем быстрее идет превращение. В бесконечности кривые начала и конца превращения, ассимпто-тически приближаясь к линии A₁, сближаются и сливаются. Сов­падение кривых начала и конца превращения в одной точке со­ответствует равновесному превращению на диаграмме железо- углерод (рис. 93). Схема структурных изменений в эвтектоидной стали при нагреве приведена на рис. 94.

Зародыши новой фазы - аустенита образуются на межфазных поверхностях раздела феррит-цементит. Переход перлита в ау­стенит состоит из двух элементарных процессов: полиморфного превращения Fе_α→Fе_γ и растворения в γ-железе углерода це­ментита. Растворение цементита запаздывает по сравнению с по­лиморфным превращением. Поэтому после превращения феррита в аустенит необходимо дополнительное время для устранения не­однородности аустенита - его гомогенизация,

Скорость образования аустеннта зависит от разности свободных энергий аустенита и перлита (рис. 95) и скорости диффузии атомов углерода, необходимых для образования аустенита. При нагреве разность свободных энергий и диффузия атомов углерода увеличивается, что приводит к росту скорости образования аустенита.

Из рис. 93 следует, что превращение перлита в аустенит при нагреве протекает в интервале температур. Чем выше скорость нагрева, тем выше температура начала и конца превращения.

Т акой характер превращения свойствен только сталям эвтек-тоидного состава. В доэвтектоидных сталях выше Ас₁ структура состоит из аустенита и феррита, а в заэвтектоидных - из аустенита и цементита. По мере нагрева до Ас₃ (Acm) происходит постепен­ное растворение феррита или цементита в аустените. Однофазную структуру аустенита доэвтектоидные и заэвтектоидные стали при­обретают только после нагрева выше Ас_а (Аст).

Начальные зерна аустенита всегда имеют малые размеры. Они образуются на сильно разветвленной феррито-цементитной гра­нице. При дальнейшем нагреве зерна растут, причем разные стали характеризуются различной склонностью к росту зерна (рис. 96).

П о склонности к росту зерна аустенита при нагреве различают наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые стали. Наследственно крупнозернистые стали начинают быстро увеличивать размер зерен даже при небольшом нагреве.

Склонность к росту зер­на зависит от содержания легирующих элементов. Для стали одной марки она является планочной харак­теристикой и зависит от режима раскисления, ко­личества неметаллических включений и т. д. Склон­ность к росту аустенитного зерна определяют после 3- или 8-ч выдержки образца стали при температуре 930 °С. При такой выдержке в наследственно крупно­зернистых сталях зерно увеличивается, а в наследственно мелко­зернистых остается практически без изменений.

О т склонности к росту зерна зависит технологический процесс горячей деформации и термообработки. Наследственно мелкозерни­стые стали имеют больший интервал закалочных температур; их про­катка и ковка могут завершаться при более высоких температурах. При нагреве до достаточно высокой температуры наследственно мелкозернистая сталь может иметь даже более крупное зерно аустенита, чем наследственно крупнозернистая сталь. Поэтому вводится понятие о действительном зерне — величине зерна при комнатной температуре, полученной в результате той или иной термической обработки. Размер действительного зерна обычно тем больше, чем больше исходное зерно аустенита (рис. 96).

Нагрев стали при температурах значительно выше Aс₃ приво­дит к перегреву, следствием которого является образование круп­ного действительного зерна (рис. 97, б). Перегрев может быть ис­правлен повторным нагревом до более низкой температуры. Если нагрев проходит при еще более высоких температурах и металл в течение длительного времени находится при высокой температуре в окислительной атмосфере печи, может возникнуть пережог стали. Пережог сопровождается окислением и частичным оплавлением границ зерен, камневидным изломом и является неисправимым дефектом (рис. 97, в).

Величина действительного зерна стали оказывает наибольше влияние на ударную вязкость, особенно при низких температурах. С увеличением размера зерна повышается порог хладноломкости, снижается работа распространения трещины.

В еличину зерна определяют по ГОСТ 5639—82 сравнением микроструктуры стали при увеличении в 100 раз с эталонными шкалами, приведенными на рис, 98. Размер зерна оценивают баллами. Балл зерна прямо пропорционален числу зерен, поме­щающихся на 1 мм² шлифа, и обратно пропорционален среднему диаметру зерна. Условно принято считать, что стали с зерном от первого до пятого балла относятся к крупнозернистым сталям, а с более высоким баллом зерна (№№ 6—15) — к мелкозернистым.