7. Теоретические сведения

Превращения, происходящие в эвтектоидной стали при охлаждении

Опытным путем установлено, что скорость и характер превра­щений аустенита зависят от степени его переохлаждения. На рис. 7.1 приведена диаграмма изотермического превращения аус­тенита эвтектоидной стали. Диаграмма построена в координатах температура — логарифм времени, что позволяет проследить за временем превращения от долей секунд до суток и более. Как вид­но из рисунка, кривые по форме напоминают букву С и потому их называют С-кривыми.

Рисунок 7.1 - Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектической

стали

Левая кривая характеризует начало распа­да, а правая – окончание распада аустенита на феррито – цементитную смесь. Область между вертикальной осью и кривой начала распада аустенита характеризует тот период времени, в течение которого аустенит не обнаружи­вает признаков распада, нахо­дится в переохлажденном состо­янии (инкубационный период). Как показано на диаграмме, при температурах немного ниже критической точки А\ и при тем­пературах немного выше крити­ческой точки начала мартенситного превращения М_н аустенит обладает наибольшей устойчи­востью, так как при этих темпе­ратурах левая кривая наиболее удалена от вертикальной оси. При температуре точки Л₃ аусте­нит наименее устойчив, на что указывает левая кривая, наиболее близко расположенная к вертикальной оси. Таким образом, устойчивость аустенита зависит от расположения кривых изотер­мического распада аустенита: чем правее расположены эти кри­вые, тем больше устойчивость аустенита.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различа­ют три температурные области превращения: перлитную, проме­жуточного превращения и мартенситную.

Перлитная область в углеродистых сталях распространяется на интервал температур от т. А₁ до изгиба изотермической диаграммы т. А₃ (около 550 ⁰С). При этих температурах происходит диффузионный распад аустенита с образованием феррито-цементитной структуры. При температуре 650–700° С образуется собственно перлит. При перлитном превращении ведущей фазой является цементит. В результате образования пластинок цементита соседние участки аустенита обедняются углеродом, что в свою очередь приводит к образованию пластинок феррита. При увеличения переохлаждения увеличивается количество зародышей новой фазы. Естественно, что с ростом числа чередующихся пластин феррита и цементита уменьшаются их размеры и расстояния между ними. Другими словами, с понижением температуры растет дисперсность продуктов превращения аустенита. Под степенью дисперсности понимают расстояние между соседними пластинками феррита и цементита.

а) перлит; б) сорбит; в) троостит

Рисунок 7.2 – Схема феррито-цементитных структур

При температуре 600–650° С образуется сорбит, а при 550–600° С — троостит. Перлит, сорбит, троостит являются структурами одной природы — механической смесью феррита и цементита и отличаются друг от друга лишь степенью дисперсности. С увеличением степени дисперсности пластин цементита растут твердость и прочность стали. Наибольшую пластичность имеют, стали с сорбитной структурой. Троостит, образующийся при более низкой температуре превращения, характеризуется меньшей пластичностью. Перлит, сорбит и троостит называют перлитными структурами.

Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита протекает в температурной области между перлитным и мартенситным превращениями. Кинетика этого превращения и получающиеся структуры имеют черты кинетики и структур, получаемых при диффузионном перлитном и бездиффузионном мартенситном превращениях: диффузионное перераспределение углерода в аустените между продуктами его распада и мартенситное бездиффузионное превращение ά →γ. В результате бейнитного превращения образуется смесь ά-фазы (феррита) и карбида, которая называется бейнитом. Карбид в бейните не имеет пластинчатого строения, свойственного перлиту. Карбидные частицы в бейните очень дисперсны, их можно видеть только под электронным микроскопом. Различают верхний и нижний бейниты, образующиеся соответственно в верхней и нижней частях промежуточного интервала температур (условная граница между ними 350 ⁰С). Верхний бейнит имеет перистое строение, а нижний — игольчатое, мартенситоподобное строение.

Пластичность при переходе из перлитной области в бейнитную (верхний бейнит) падает, а затем с понижением температуры вновь возрастает (нижний бейнит). Снижение пластичности в области верхнего бейнита связано с выделением сравнительно грубых карбидов преимущественно по границам ферритных кристаллов. В нижнем же бейните частицы карбидов расположены внутри кристаллов ά -фазы, и поэтому при высокой прочности в стали с верхним бейнитом сохраняется высокая вязкость.

При больших степенях переохлаждения возрастает термодинамическая неустойчивость аустенита, а скорость диффузии углерода резко падает. При переохлаждении аустенита в эвтектоидной стали до 240 ⁰С подвижность атомов углерода близка к нулю и происходит бездиффузионное превращение аустенита. При этом меняется лишь тип решетки, а весь углерод, ранее растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита, несмотря на то, что равновесная концентрация углерода в феррите не превышает 0,006 % при комнатной температуре. В результате образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в ά -железе, который называется мартенситом. Из-за пресыщенности углеродом решетка мартенсита сильно искажена и вместо кубической приобретает тетрагональную форму, в которой отношение периодов решетки существенно отличается от единицы (рис. 7.3).

	Рисунок 7.3 – Тетрагональная кристаллическая ячейка

Мартенсит имеет высокую хрупкость и твердость (до 65 НRC). Высокая твердость мартенсита обусловлена искажениями кристаллической решетки и соответственно большими внутренними напряжениями, определяемыми растворенным углеродом, а также возникновением фазового наклепа вследствие увеличения объема при превращении аустенита в мартенсит, в результате чего плотность

дислокации в мартенсите достигает уровня плотности дислокации холоднодеформируемой стали, и равняется 10¹⁰–10¹² см^–2. Скорость образования кристаллов мартенсита очень велика и достигает 1000 м/с. Пластины мартенсита растут до границы аустенитного зерна либо до имеющегося в стали дефекта. Последующие пластины мартенсита, расположенные под углом к первым (60°, 120°), ограничены их размерами. Мартенситное превращение в отличие от перлитного никогда не идет до конца, поэтому в стали всегда есть определенное количество остаточного аустенита. На мартенсит­ную точку скорость охлаждения не влияет. Минимальная скорость охлаждения, необхо­димая для переохлаждения аустенита до мар­тенсита, называется критической скоростью за­калки.

Структура закаленной стали зависит от ее химического состава и условий закалки (температуры нагрева и режима охлаждения).

Закалка стали с очень низким содержанием углерода (до 0,025 – 0,03%) с нагревом лишь немного выше линии PQ задерживает выделение третичного цементита по границам зерен. Основная структура – феррит – не изменяет строения. Такая закалка повышает пластичность и почти не изменяет прочностных характеристик. Однако последующее строение, возникающее при нагреве 300 – 400° или при холодной деформации, способствует выделению частиц третичного цементита и вновь снижает пластичность.

Закалка низкоуглеродистой стали с 0,08 – 0,15% С (с нагревом выше Aс₃ и охлаждением в воде) несколько повышает твердость и прочность; структура такой стали – мартенсит и сохранившийся феррит (рис. 7.4).

Рисунок 7.4 – Структура закаленной низкоуглеродистой стали (0,2% С).