3. Фазові перетворення в сплавах заліза (теорія термічної обробки)

Знання фазових і структурних перетворень, що протікають в сталі при її нагріві і охолоджуванні з різною швидкістю, дозволяє правильно встановити режими різних видів термічної обробки, широко вживаних на металургійних і машинобудівних заводах.

Утворення аустеніту з перліту можливо після невеликого перегріву сталі відносно рівноважної температури (Ai), коли вільна енергія аустеніту стає менше вільної енергії ферито-цементитної суміші. Перетворення перліту на аустеніт - кристалізаційний процес, і він протікає в результаті освіти зародків аустеніту і подальшого їх зростання.

Зародки аустеніту завжди виникають на кордоні розділу кристалів фериту і цементиту. Швидкість утворення аустеніту більша за все, якщо сталь мала структуру тонкопластинчатого перліту, ця швидкість зменшується, якщо перліт має грубопластинчатую форму, і швидкість утворення аустеніту менше всього для зернистого перліту. Це пояснюється тим, що із збільшенням дисперсності карбідів зростає поверхня їх розділу з феритом і, отже, збільшується швидкість виникнення зародків аустеніту і їх зростання.

Зародки аустеніту, що утворилися, розвиваються в результаті розчинення цементиту і перетворення фериту. Проте швидкість росту кристалу аустеніту за рахунок фериту завжди більша, ніж за рахунок цементиту. Тому після перетворення фериту в аустеніті зберігається ще деяка кількість цементиту, який при подальшій витримці (або підвищенні температури) розчиняється в аустеніті.

Якщо сталь із структурою аустеніту, отриманою в результаті нагріву до температури вище А_С3 (для доевтектоїдної сталі) і вище А_ст (для заевтектоїдної сталі), переохолоджувати до температури нижче А_Гh то аустеніт опиняється в метастабільному стані і зазнає перетворення. Для опису кінетики перетворення переохолодженого аустеніту користуються експериментально побудованими діаграмами час - температура - час розпаду або діаграмами ізотермічного перетворення аустеніту.

Залежно від міри переохолодження аустеніту розрізняють три температурні області або рівні перетворення: перлитову, область проміжного перетворення і мартенситну.

Перлітове перетворення (мал.56) зводиться до поліморфного перетворення γ→α і дифузійному перерозподілу вуглецю, що наводить до утворення ферито - цементитної структури. В результаті дифузійного переміщення вуглецю практично однорідною по концентрації аустеніту, наприклад вуглецевій сталі, розпадається з утворенням фериту (майже чисте залізо) і цементиту, що містить 6,67% С, тобто, складається з фаз, що мають різко різну концентрацію вуглецю.

Провідною фазою при цьому є карбід (цементит). Як правило, його зародки утворюються на кордонах зерен аустеніту.

В результаті зростання часток цього карбіду прилеглий до нього об'єм аустеніту обідняється вуглецем, знижує свою стійкість і випробовує поліморфізм γ→α перетворення, яке, як всяка перебудова решітки в решітку, йде зсувним шляхом. При цьому кристали фериту зароджуються на міжфазних кордонах з цементитом, де цей процес полегшений.

Мартенсит є частково впорядкованим пересиченим твердим розчином впровадження вуглецю в а - залізі. Якщо в рівноважному стані розчинність вуглецю в а - залізі при 20°С не перевищує 0,002%С, то його вміст в мартенсіті може бути таким же, як і у вихідному аустеніті, тобто досягати в межі 2,14%С.

Мартенситне перетворення відбувається лише в тому випадку, якщо швидким охолоджуванням аустеніт переохолоджений до низьких температур, коли дифузійні процеси стають неможливими. При мартенситному перетворенні не відбувається перерозподілу його компонентів між аустенітом і мартенситом, тому його можна розглядати як фазове перетворення в однокомпонентній системі. Утворення мартенситу стає можливим лише тоді, коли його енергія Гіббса буде менше енергії Гіббса аустеніту. Це має місце при переохолодженні аустеніту до температури нижче Т_о. Для початку мартенситного перетворення потрібне велике переохолодження аустеніту (точка М_н), при якому значення різниці об'ємної енергії Гіббса: ΔG_o6> G_пов + G_упр. Закінчиться мартенситне перетворення при температурі М_к. Аналогічне явище може мати місце при нагріві.

Перетворення аустеніту на мартенсит і зворотне перетворення мартенситу в аустеніт протікає в інтервалі температур (М_н - М_к і А_н - А_к), який залежить від складу аустеніту. Деформація аустеніту при температурі між М_н і М_д (лежачою декілька нижче Т_о) також викликає мартенситне перетворення утворюється мартенсит деформації.

Бейнітне (проміжне) перетворення протікає в температурнiй області між перлітовим і мартенситним перетвореннями. В результаті проміжного перетворення утворюється бейніт, що є структурою, що складається з а- твердого розчину, що зазнав мартенситне перетворення і декілька пересиченого вуглецем, і часток карбідів. Розрізняють структуру верхнього і нижнього бейніту. Верхній бейніт, що утворюється зазвичай в області температур, - 500 -350°С, має «перистий вигляд», в якому частки карбідів виділяються не у вигляді пластинок, як в перліті, а у вигляді ізольованих вузьких часток . Нижній бейніт утворюється при температурах від 350°С до точки М_н і має рейкову (пластинчасту) мартенсiтоподiбну будову. Карбідні частки в нижньому бейніті розташовуються в пластинках α - фази.

Бейнітне перетворення протікає при температурах, коли швидкість самодифузії заліза і дифузія легуючих елементів практично неможливі, а швидкість дифузії вуглецю ще досить висока. Це і зумовлює особливості бейнітного перетворення. На початку цього перетворення відбувається дифузійний перерозподіл вуглецю в аустеніт, що наводить до утворення в ньому об'ємів, збагачених і збіднених вуглецем. Ділянки аустеніту з низьким вмістом вуглецю, в яких точка М_н лежить в області температур проміжного перетворення, зазнає γ→α перетворення по мартенситному механізму. Маловуглецевий мартенсит, що утворюється, тут же відпускається при температурах проміжної області з утворенням бейнітної структури. В об'ємах аустеніту, збагачених вуглецем, якщо їх пересичення високе, процесі ізотермічної витримки можуть виділятися частки карбіду.

Бейнітне перетворення протікає за наступними реакціями: γ (аустеніт) → α (маловуглецевий рейковий мартенсит) + Fe₃C + γ_ост (залишковий аустеніт) → бейніт. Якщо в результаті дифузійного переміщення вуглецю в аустеніті ділянки, збагачені вуглецем, не зазнають розпаду з виділенням карбідів або мартенситного перетворення, при охолоджуванні утворюється безкарбiдний бейніт - маловуглецевий мартенсит і високовуглецевий аустеніт. При утворенні безкарбiдного бейніту не відбувається виділення карбідів і в структурі зберігається високовуглецевий аустеніт (~ 0,1% С) з низькою мартенситною точкою М„ і М_к і високою стійкістю до деформаційної дії. Безкарбiдний бейніт забезпечує високу конструктивну міцність сталi. Утворення в структурі бейніту карбідів, наводить до сильного окрихчування сталi.