Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении

Любая разновидность термической обработки состоит из комбинации четырех основных превращений, в основе которых лежат стремления системы к минимуму свободной энергии.

1. Превращение перлита в аустенит (П → А), происходит при нагреве выше критической температуры А_1, минимальной свободной энергией обладает аустенит.

Fe_α(C) + Fe₃C → Fe_γ(C)

2. Превращение аустенита в перлит (А → П), происходит при охлаждении ниже А₁, минимальной свободной энергией обладает перлит:

Fe_γ(C) + Fe_αC → Fe₃ (C)

3. Превращение аустенита в мартенсит(А → М), происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия

Fe_γ(C) → Fe_α(C)^'

4. Превращение мартенсита в перлит (М → П); – происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.

Fe_α(C)^' → Fe_α(C) + Fe₃C

Механизм основных превращений

1. Превращение перлита в аустетит

Превращение основано на диффузии углерода, сопровождается полиморфным превращением Fe_α → Fe_γ, а так же растворением цементита в аустените.

Для исследования процессов строят диаграммы изотермического образования аустенита (рис. 12.1). Для этого образцы нагревают до температуры выше A₁ и выдерживают, фиксируя начало и конец превращения.

Рисунок 12.1 – Диаграмма изотермического образования аустенита:

1 - начало образования аустенита; 2 - конец преобразования перлита в аустенит;

3 - полное растворение цементита.

 

С увеличением перегрева и скорости нагрева продолжительность превращения сокращается.

Механизм превращения представлен на рисунке 12.2.

Рисунок 12.2  Механизм превращения перлита в аустенит

 

Превращение начинаются с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела феррит – цементит, кристаллическая решетка Fe_αперестраивается в решетку Fe_γ.

Время превращения зависит от температуры, так как с увеличением степени перегрева уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличиваются скорость возникновения зародышей и скорость их роста

Образующиеся зерна аустенита имеют вначале такую же концентрацию углерода, как и феррит. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита – цементит, следовательно, концентрация углерода увеличивается. Превращение Fe_α в Fe_γ идет быстрее. После того, как весь цементит растворится, аустенит неоднороден по химическому составу: там, где находились пластинки цементита концентрация углерода более высокая. Для завершения процесса перераспределения углерода в аустените требуется дополнительный нагрев или выдержка.

Величина образовавшегося зерна аустенита оказывает влияние на свойства стали.

Рост зерна аустенита. Образующиеся зерна аустенита получаются мелкими (начальное зерно). При повышении температуры или выдержке происходит рост зерна аустенита. Движущей силой роста является разность свободных энергий мелкозернистой (большая энергия) и крупнозернистой (малая энергия) структуры аустенита.

Стали различают по склонности к росту зерна аустенита. Если зерно аустенита начинает быстро расти даже при незначительном нагреве выше температуры А₁, то сталь наследственно крупнозернистая. Если зерно растет только при большом перегреве, то сталь наследственно мелкозернистая.

Ванадий, титан, молибден, вольфрам, алюминий – уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а марганец и фосфор – увеличивают ее.

Различают величину зерна наследственного и действительного.

Для определения величины наследственного зерна, образцы нагревают до 930^o С и затем определяют размер зерна.

Действительная величина зерна – размер зерна при обычных температурах. полученный после той или иной термической обработки.

Неправильный режим нагрева может привести либо к перегреву, либо к пережогу стали.

Перегрев. Нагрев доэвтектоидной стали значительно выше температуры A₃ приводит к интенсивному росту зерна аустенита. При охлаждении феррит выделяется в виде пластинчатых или игольчатых кристаллов. Такая структура называется видманштеттовая структура и характеризуется пониженными механическими свойствами. Перегрев можно исправить повторным нагревом до оптимальных температур с последующим медленным охлаждением.

Пережог имеет место, когда температура нагрева приближается к температуре плавления. При этом наблюдается окисление границ зерен, что резко снижает прочность стали. Излом такой стали камневидный. Пережог – неисправимый брак.

Рисунок 12.3  Микроструктура перегретой стали (а) и с пережогом (б), ×200

2. Превращение аустенита в перлит при медленном охлаждении.

Fe_γ(C) → Fe_α(C) + Fe₃C

Превращение связано с диффузией углерода, сопровождается полиморфным превращением Fe_γ → Fe_α, выделением углерода из аустенита в виде цементита, разрастанием образовавшегося цементита.

В зависимости от степени переохлаждения различают три области превращения. Вначале, с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, а затем убывает. При температуре 727 ^oС и ниже 200^o С скорость равна нулю. При температуре 200^o С равна нулю скорость диффузии углерода.

Закономерности превращения. Образцы нагревают до температуры, при которой структура состоит из однородного аустенита (770⁰ С). Затем переносят в термостаты с заданной температурой (интервал 25 – 50⁰ С). Превращение аустенита легко обнаружить с помощью наблюдений за изменением магнитных характеристик, так как аустенит парамагнитен, а феррит и цементит обладают магнитными свойствами.

Получают серию кинетических кривых, которые показывают количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения.

Рисунок 12.4 – Кинетические кривые превращения аустенита при охлаждении и диаграмма изотермического превращения аустенита (С-образная диаграмма)

В начале наблюдается инкубационный подготовительный период, время, в течение которого сохраняется переохлажденный аустенит. Превращение протекает с различной скоростью и достигает максимума при образовании 50 % продуктов распада. Затем скорость начинает уменьшаться и постепенно затухает. С увеличением степени переохлаждения устойчивость аустенита уменьшается, а затем увеличивается.

Горизонтальная линия М_н показывает температуру начала бездиффузного мартенситного превращения. Такие диаграммы называются диаграммами изотермического превращения аустенита (рис. 12.4 б).

В результате превращения аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита, состав которой отличается от состава исходного аустенита. Аустенит содержит 0,8 % углерода, а образующиеся фазы: феррит – 0,02 %, цементит – 6,67 % углерола.

Время устойчивости аустенита и скорость его превращения зависят от степени переохлаждения. Максимальная скорость превращения соответствует переохлаждению ниже температуры A₁ на 150…200°C С, то есть соответствует минимальной устойчивости аустенита.

Механизм превращения представлен на рисунок 12.5.

Рисунок 12.5 – Механизм превращения аустенита в перлит

При образовании перлита из аустенита ведущей фазой является цементит. Зарождение центров кристаллизации цементита облегчено на границе аустенитных зерен. Образовавшаяся пластинка цементита растет, удлиняется и обедняет соседние области углеродом. Рядом с ней образуются пластинки феррита. Эти пластинки растут как по толщине, так и по длине. Рост образовавшихся колоний перлита продолжается до столкновения с кристаллами перлита, растущими из других центров.

Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходит процесс его распада.

Толщина соседних пластинок феррита и цементита определяет дисперсность структуры и обозначается Δ₀. Она зависит от температуры превращения. В зависимости от дисперсности продукты распада имеют различное название.

1. Δ₀ ≈ (0,5...0,7)×10^-3мм – перлит.

Образуется при переохлаждении до температуры Т = 650…700 ^oС, или при скорости охлаждения V_охл = 30…60 ^oС/ч. Твердость составляет 180…250 НВ.

2. Δ₀ = 0,25×10^-3мм – сорбит

Образуется при переохлаждении до температуры Т = 600…650 ^oС, или при скорости охлаждения V_охл = 60 ^oС/с. Твердость составляет 250…350 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, достаточной вязкостью и прочностью.

3. Δ₀ = 0,1×10^-3мм – троостит

Образуется при переохлаждении до температуры Т = 550…600 ^oС, или при скорости охлаждения V_охл = 150 ^oС/с. Твердость составляет 350…450 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, малой вязкостью и лпастичностью.

Если температура нагрева незначительно превышала теипературу А₁ и полученый аустенит неоднороден по составу, то при малой степени переохлаждения образуется зернистый перлит.

а) б) в) г)

Рисунок 12.5 – Микроструктуры феррито-цементитной смеси сформированного в условиях изотермической выдержки при температуре:

а – 655 °С, б – 600 °С, в - 534 °С, г – 487 °С