9.9. Бейнитное превращение

Бейнитное превращение (названное так по имени ученого Э. Бейна) переохлажденного аустенита происходит в интервале температур ниже перлитного и выше мартенситного интервала превращений, поэтому его иногда называют промежуточным.

Определяющей особенностью бейнитного превращения является то обстоятельство, что оно протекает в интервале температур, когда практически отсутствует самодиффузия железа и диффузия легиру­ющих элементов, но интенсивно может протекать диффузия углерода. Вначале аустенит обедня­ется из-за выделения карбидов углерода и при достижении необ­ходимого обеднения происходит мартенситная реакция. Чем выше температура изотермической выдержки, тем больше должно про­изойти обеднение аустенита, тем менее углеродистый аустенит пре­терпевает мартенситное превращение, теряя типичные для него черты. Поэтому внешний вид структуры бейнита существенно зависит от температуры его образования.

Обычно бейнит делят на верхний (рис. 56, а) и нижний (рис. 56, б), образующийся соответственно в верхнем и нижнем интервале температур бейнитного превращения. Нижний бейнит по своей природе и свойствам мало отличается от изотермического (реечного) мартенсита.

9.10. Превращения при отпуске

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали, структура которой состоит из тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита, до температур ниже Ас₁, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Так как мартен­сит представляет собой перенасы­щенный твердый раствор углерода в Fe_α,, то структура закаленной стали является нестабильной, и при отпуске протекают процессы, приводящие к равновесному состоянию стали, что, очевидно, будет достигаться выделением углерода из мартенсита и остаточного аустенита.

Рис. 56.Микроструктура бейнита: а) верхнего; б) нижнего

Игольчатый характер строения мартенсита сохраняется до высо­ких температур и только при продолжительном отпуске при 650°С вместо игольчатой мартенситной структуры наблюдаются равновес­ные мелкие ферритные зерна. Дальнейшее повышение температуры приводит к процессам возврата (преимущественно уменьшению плот­ности дислокаций) в феррите и рекристаллизации ферритных зерен.

Сталь, отпущенная при 350—500 °С, имеет структуру троостита (рис. 57, а), а при 500—600 °С — структуру сорбита (рис. 57, б). Эти структуры представляющие собой смесь цементита и феррита, различаются по твердости и степени дисперсности цементитных ча­стиц.

9.11. Влияние термической обработки на свойства стали

В результате термической обработки существенно изменяются свойства стали. Наибольшее значение имеют механические свойства.

В отожженном, нормализованном или отпущенном (t_опт > 400 °С) состоянии сталь состоит из пластичного феррита и включе­ний карбидов (цементита). Феррит обладает низкой прочностью и высокой пластичностью, цементит же при нулевом значении удлинения и сужения имеет высокую твердость (около 800 НВ). Более высокое значение прочности и меньшая пластичность сплавов с содержанием углерода выше 0,01 % объясняется упрочня­ющим действием карбидных включений. Поскольку пластической деформации (при том или ином виде нагружения) может подвер­гаться только феррит, упрочняющее действие твердых карбидных включений можно представить следующим образом.

Рис.57. Микроструктура: а) троостита; б) сорбита

При малом количестве цементитных включений пластическая деформация развивается относительно беспрепятствен­но, и свойства материала характеризуются невысокой твердостью.

Если таких частиц будет больше, например, если при термической обработке измельчаются частицы цементита, то вокруг этих частиц возникает искажение кристаллической решетки, что препятствует движению дислокаций, и сталь упрочняется. Наобо­рот, в результате укрупнения этих частиц освободятся некоторые объемы феррита для движения дислокаций, и способность стали к пластической деформации увеличится.

Таким образом, объясняется изменение твердости в отожженной (нормализованной) или отпущенной стали, имеющей структуру феррито-цементитной смеси разной дисперсности. Но объяснить так высокую твердость мартенсита нельзя. Высокая твердость мартен­сита объясняется тем, что элементарные кристаллические ячейки его искажены, вследствие чего пластическая деформация затруднена и образование сдвигов в мартенсите почти невозможно. Чем больше углерода в стали, тем больше искаженность тетрагональной решетки мартенсита и больше его твердость. Твердость мартенсита зависит в первую очередь от содержания в мартенсите (в стали) углерода.

Кроме твердости, большое значение имеет пластичность (вяз­кость) стали. Чем выше твердость, тем, как правило, ниже пластич­ность и вязкость. Однако и при одинаковой твердости показатели пластических и вязких свойств могут сильно колебаться в зависи­мости от структуры и размеров пластин мартенсита. Обычно с укруп­нением структуры пластические и вязкие свойства снижаются.

Для получения высокого комплекса механических свойств следует стремиться к тому, чтобы после закалки получалась мелкоигольчатая мартенситная структура, что достигается лишь при исходной мелкозернистой аустенитной структуре.

Отпуск — заключительная операция термической обработки, придающая стальному изделию окончательные свойства.

Общая тенденция состоит в том, что твердость с повышением температуры отпуска падает, так же как и другие показатели проч­ности (σ_в, σ_0,2), тогда как показатели пластичности (δ, ψ) возра­стают. Однако изменение этих свойств с повышением температуры отпуска не монотонно.

Отпуск при 300 °С приводит к повышению предела прочности и предела упругости. Эти характеристики вследствие напряженного состояния стали в закаленном состоянии или при отпуске при низ­кой температуре получаются пониженными.

Показатели пластичности (δ, ψ) увеличиваются с повышением температуры отпуска. Наибольшая пластичность (ψ) соответствует отпуску при 600—650 °С, когда весь комплекс механических свойств выше, чем у отожженной стали. Отпуск выше 650 ^оС уже не повы­шает пластичность (ψ).

Более высокие механические свойства закаленной и высокоотпущенной стали по сравнению с отожженной или нормализованной (при равной прочности у закаленной и высокоотпущенной σ_в, σ_0,2, а_н выше) объясняются различным строением сорбита (перлита) от­пуска и сорбита закалки, имеющих, как указывалось выше, в пер­вом случае зернистое, а во втором — пластинчатое строение. Двойная термическая обработка, состоящая в закалке с по­следующим высоким отпус­ком, существенно улучша­ющая общий комплекс меха­нических свойств, является основным видом термической обработки конструкционных сталей и называется улучше­нием (термическим улучше­нием).

Резюме

Цель любого процесса термической обработки состоит в нагреве до определенной температуры и последующим охлажде­нием для желаемого изменения строения и свойств металла.

Основные факторы воздействия при термической обработке — температура и время, поэтому режим любой термической обработки можно представить графиком в координатах t (температура) и τ (время).

Классификация видов термической обработки

Первая группа.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, и приводящая его и более устойчивое со­стояние, называется отжигом.

Существуют два вида отжига. Если сплав не имеет фазовых пре­вращений, то любой нагрев сплава с неравновесной структурой приводит сплав в более равновесное состояние. Такой отжиг назы­вается отжигом первого рода. Если у сплава есть фазовое превра­щение, то нагрев сплава с неравновесной структурой (но не обусло­вленной закалкой) выше температуры фазовых превращений с после­дующим медленным охлаждением приводит сплав в более равновесное состояние. Такая обработка тоже относится к отжигу, но классифицируется как отжиг второго рода или фазовая пере­кристаллизация.

Вторая группа. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного (при охлаждении) пре­вращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно себе представить такие условия охлаждения, при которых обратное превращение вовсе не произойдет, и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой.

Закалка бывает объемной (под закалку нагревают насквозь все изделие) и поверхностной (осуществляют местный, чаще поверхно­стный) нагрев.

Третья группа. Нагрев закаленного сплава, но ниже температуры равновесных фазовых превращений, называется отпуском. И при отжиге первого рода, как и при отпуске, сплав приближается к структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние, только для отжига первого рода оно было результатом предварительной обработки, при которой, однако, не было фазовых превращений, а для отпуска — предшествовавшей закалкой. Таким образом, отпуск — вторичная операция, осуществляемая всегда после за­калки. Отпуск иногда называют старением.

Отжиг — термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.

Закалка — термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым ох­лаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.

Отпуск — термическая операция, состоящая в нагреве зака­ленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.

Кроме этих основных видов термической обработки, имеются еще два принципиально отличных способа, представляющих сочетание термической обработки с металлургией или механической техноло­гией.

Химико-термическая обработка — нагрев сплава в соответству­ющих химических реагентах для изменения состава и структуры по­верхностных слоев.

Деформационно-термическая обработка — деформация и термическая обработка, сохраняющая в той или иной форме результаты наклепа.

Превращения в стали:

I. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше температуры стабильного равновесия аустенит—перлит (Ас₁).

II. Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже А_1.

III. Превращение аустенита в мартенсит.

IV. Превращение мартенсита в перлит.

Диаграмма, на которой показано время превращения аустенита в перлит в зависимости от степени переохлаждения, т. е. превращение пере­охлажденного аустенита при постоянной температуре, называют диаграммой изотермического превращения аустенита. Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита имеют вид буквы С, поэтому их часто назы­вают С- образными или просто С - кривыми.

При высоких температурах, т. е. при малых степенях переохла­ждения, получается достаточно грубая смесь феррита и цементита - пер­лит. При более низких температурах и, следовательно, при больших степенях переохлаждения дисперсность структур возрастает, и твер­дость продуктов повышается. Такая структура называется сорбитом. При еще более низкой температуре (что соответствует изгибу С-кривой) дисперсность продуктов еще более возрастает, и дифференци­ровать под оптическим микроскопом отдельные составляющие феррито-цементитной смеси становится почти невозможно, но при на­блюдении под электронным микроскопом пластинчатое строение об­наруживается вполне четко. Такая структура называ­ется трооститом.

Выше изгиба С-кривой, т. е. при малых переохлаждениях, пре­вращение начинается из немногих центров, и кристаллы перлита растут до столкновения. Ниже изгиба С-кривой возникает игольчатая микроструктура, образуются иглы-пластины, рост которых огра­ничен, и превращение происходит главным образом путем появления новых кристаллов.

Образующаяся ниже изгиба С-кривой игольчатая структура получила название бейнит. Превращение аустенита в бейнит имеет общие черты с перлитным и мартенситным превращениями.

Под мартенситным превращением понимается особый вид фазового превращения в твер­дом теле, протекающего по бездиффузионному, сдвиговому механизму, называемому мартенситным, а под мартенситом — продукт такого превращения.

Бейнитное превращение (названное так по имени ученого Э. Бейна) переохлажденного аустенита происходит в интервале температур ниже перлитного и выше мартенситного интервала превращений, поэтому его иногда называют промежуточным.

Вопросы для повторения

1. Для чего проводится термическая обработка?

2. Какие факторы оказывают влияние на процесс термической обработки?

3. Перечислите основные группы видов термической обработки.

4. Назовите основные превращения в стали.

5. Объясните, как и для чего строятся диаграммы изотермического превращения аустенита.

6. Как влияет температура (степень переохлаждения) на дисперсность и свойства материала?

7. Опишите характерные особенности мартенситного превращения.

8. Когда происходит бейнитное превращение?