Вопросы для самоконтроля

1. Каковы температуры холодной пластической деформации?

2. Как изменяется структура отожженных металлов и сплавов при холодной пластической деформации?

3. Что такое металлографическая и кристаллографическая тек­стура деформации?

4. Как изменяются механические свойства сплавов с повышени­ем степени холодной деформации?

5. С чем связано разупрочнение стали при нагреве после деформа­ции?

6. Как изменяются структура и механические свойства стали при возврате и рекристаллизации?

3. Механизм и кинетика фазовых превращений в твердом состоянии

   1. Превращения в стали при нагреве

Основным превращением при нагреве в стали с феррито-перлитной или перлито-цементитной структурой является превращение феррито- цементитной смеси в аустенит. Это превращение происходит при темпе­ратуре около 723 °С. Температура превращения перлит - аустенит (П - А) является первой критической точкой (обозначают А_с\). При этой температуре вследствие аллотропического превращения a-Fe —» y-Fe образуется более энергетически выгодная, чем перлит, фаза - аустенит. В ней растворяется весь находившийся в перлите углерод. Содержание в аустените углерода при этой температуре составляет 0,8 % С незави­симо от количества последнего в обрабатываемой стали.

Таким образом, при перегреве стали выше точки А_с\ после опреде­ленной выдержки (необходимой для протекания приводящих к равно­весию диффузионных процессов) сталь приобретает равновесный двухфазный состав соответственно: Ф₀,02 + П₀,8 —> Фо,ог + A₀,s (в доэв- тектоидной стали, С < 0,8 %) или П₀,8 + Цб,б7 —> А₀,8 + Цб,б7 (в заэвтек- тоидной стали, С > 0,8 %) (рис. 3.1).

При этом при температуре 723 °С в феррите содержится около 0,02 % С, в аустените - 0,8 % С, в цементите - 6,67 % С.

При дальнейшей выдержке или повышении температуры в доэв- тектоидных сталях составы феррита и аустенита изменяются, в них фактически происходит растворение Ф в А.

В заэвтектоидных сталях равновесие между аустенитом и цементи­том с ростом температуры поддерживается за счет растворения Ц в А, приводящего к обогащению аустенита углеродом (вплоть до 2,14 % С) и уменьшению количества цементита.

Точки, лежащие на линии SG, принято обозначать А_с3, а на линии SE - А_ст (см. рис. 3.1). При дальнейшем нагреве доэвтектоидных ста­лей, начиная с температур, равных А_с3 + 30...50 °С, наблюдается рост зерна аустенита. В заэвтектоидных сталях это происходит начиная с температур нагрева А_ст + 30...50 °С.

Температуры нагрева при термической обработке стали обычно огра­ничиваются вышеуказанными величинами. Хотя в интересах сокращения времени на обработку желательно ускорять диффузионные процессы, нагревая сталь до более высоких температур.

/

)

У

4 «5

■L+Oc( в

<0

у- /

-(*(<?) N

L

/

/ i+FSj

'.(или,

+0

1+J

/ /

Г

С/

f

г'4

—

jJ

Е

т76с

С

77 у

910%

у г//

г* F

SjC {ш

и

■)

Y

I

738"С

к'~

Я.-*

Ге^С

T2S “С 'или а.

*0

и

масс.

О Of ь%0 1,s 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 S,S 0,0 6,56.7

ге₃С

Рис. 3.1. Диаграмма фазового равновесия системы Fe - Fe^C

Зарождение аустенита при некотором перегреве стали выше темпе­ратуры А_с 1 происходит на границе «феррит - цементит» путем сдвиго­вого а—^-превращения. Дальнейший рост участка аустенита происхо­дит по диффузионному механизму в обе стороны - поглощая участки феррита и цементита в перлите. Такой процесс в стали с 0,8 % С за­канчивается полным исчезновением феррита и цементита и образова­нием аустенита. При дальнейшей выдержке (или нагреве) происходит гомогенизация аустенита.

В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях к этим основным ста­диям превращения при нагреве добавляются стадии растворения уча­стков свободного феррита (в доэвтектоидных сталях) и цементита (в заэвтектоидных сталях), заканчивающиеся при достижении темпе­ратур А_сз или А_ст, и стадия гомогенизации аустенита в этих зонах.

Кинетика превращений при нагреве описывается изотермическими или термокинетическими диаграммами превращений. Типичные диа­граммы превращений при нагреве стали показаны на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Диаграммы образования аустенита в изотермических условиях (а) и при непрерывном нагреве (б) для стали с 0,7 % С (А. Розе)

Факторы, определяющие превращение перлита в аустенит:

• степень перегрева относительно критических точек. С увеличе­нием степени перегрева уменьшается время всех этапов превращений;

• скорость нагрева. При увеличении скорости нагрева все этапы превращения ускоряются;

• дисперсность структуры. С повышением дисперсности исходной структуры все превращения при нагреве идут быстрее;

• количество углерода в стали. С увеличением содержания углеро­да время превращения уменьшается, так как в исходной структуре больше перлита, т.е. больше мест зарождения аустенита;

• наличие легирующих элементов. Если они растворены в аустени- те, то вследствие меньшего, чем у углерода, коэффициента диффузии они замедляют процессы превращения; если легирующие элементы находятся в карбидах (V, Nb, Ti, Zr, Сг и др.) (карбиды - дополнитель­ные поверхности для образования новой фазы), они действуют анало­гично углероду, т.е. снижают время превращения.

Рост аустенитных зерен

При нагреве стали до температуры А_с1 происходит перлито- аустенитное превращение и образуются первые зерна аустенита. На­грев стали несколько выше А_с3 приводит к быстрому окончанию пре­вращения перлита в аустенит. В результате образуется большое коли­чество мелких зерен аустенита.

Дальнейшее повышение температуры вызывает рост зерен аусте­нита (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Рост зерна в природно-крупнозернистой (/) и природно-мелкозернистой (2) стали

На рисунке видно, что в одной стали (7) рост зерна аустенита проис­ходит интенсивно, а в другой (2), даже при значительном перегреве, рост зерна идет медленно. И только при высокой температуре и в стали (2) зер­но начинает расти очень быстро. Сталь с интенсивным ростом зерна ау­стенита при незначительном перегреве выше А_с3 принято называть при­родно-крупнозернистой (наследственно-крупнозернистой). Сталь, которая показывает сильный рост зерна аустенита только при значительном пере­греве выше А_сз, называют природно-мелкозернистой (наследственно­мелкозернистой). Таким образом, природно-крупнозернистые и природно­мелкозернистые стали имеют различную склонность зерна аустенита к росту, что даже у одной и той же стали, но различных плавок объясня­ется металлургическими особенностями ее производства, в частности способом раскисления, а также химическим составом стали.

Причины роста зерна аустенита при подъеме температуры в облас­ти выше критического интервала можно объяснить исходя из сле­дующих термодинамических соображений. В области температур ни­же критических свободная энергия перлита меньше, чем у аустенита, поэтому при температурах ниже А_сi устойчивым является перлит и идет превращение аустенита в перлит. Наоборот, при температурах выше А_с 1 свободная энергия аустенита меньше, чем перлита, и в этой области происходит перлито-аустенитное превращение.

По окончании аустенизации зерна аустенита способны к росту из- за избытка зернограничной энергии. С повышением температуры рост ( зерна аустенита ускоряется из-за ускорения диффузионных процессов.

Неметаллические включения препятствуют росту зерен аустенита в стали. Тип, количество и распределение неметаллических включений зависят от металлургических особенностей выплавки стали.

Высокотемпературный нагрев, повторные нагревы, пластическая деформация стали и другие факторы, увеличивающие растворимость неметаллических включений, способствуют росту зерна аустенита.

Практически рост зерна аустенита начинается при нагреве стали только выше А_с3. При некоторой температуре перегрева начинается интенсивный рост зерна аустенита (см. рис. 3.3).

Природно-мелкозернистая сталь более устойчива против роста зер­на аустенита при нагреве до температуры -930 °С, однако при нагреве выше этой температуры наблюдается более интенсивный рост зерна, чем у стали крупнозернистой, а при некоторых температурах зерно у мелкозернистой стали оказывается крупнее, чем у крупнозернистой.

Не следует путать понятия «природное» и «действительное» зерно. Под природным подразумевают зерно аустенита, способное к росту при незначительном перегреве стали выше А_с3 (в условиях так назы­ваемой технологической пробы на наследственное зерно); под дейст­вительным - зерно, получаемое в результате нагрева стали при терми­ческой обработке.

Величина зерна оказывает большое влияние на свойства стали.

При изучении свойств стали обратили внимание на то, что величина зер­на аустенита существенно сказывается на размерах зерна и дисперсности конечной структуры стали. Как правило, чем крупнее зерно аустенита, тем большего размера образуются из него зерна феррита и колонии перлита.

Размер зерна сильно влияет на прочность и пластичность сталей. Зависимость предела текучести с_т от среднего размера зерна d описы­вается уравнением Холла-Петча:

G_T = Go + kd~^u2,

где Go - напряжение течения решетки (для Fe Go = 30.. .40 МПа); к - коэффициент зернограничного упрочнения (для ферритно-

перлитных сталей к = 0,5.. .0,7 МПа • л/м ).

От размера зерна существенно зависит прокаливаемость сталей. Крупнозернистая сталь прокаливается более глубоко, чем мелкозер­нистая. Это свойство широко используют в практике при выборе ста­ли для того или иного назначения. Для изготовления крупных сверл из углеродистой инструментальной стали применяют крупнозернистую сталь, так как в сверлах требуется сквозная прокаливаемость пере­мычки. В мелкозернистой стали вследствие ее пониженной прокали- ваемости сердцевина крупных сверл не закалится и будет иметь пер­литную или сорбитную структуру и низкую твердость. Сверла диа­метром 20 мм и выше, изготовленные из такой стали, будут иметь не­удовлетворительные режущие свойства.

Для крупнозернистой стали характерна пониженная ударная вяз­кость, поэтому такой инструмент, как протяжки, нужно изготавливать из мелкозернистой стали, так как в них необходима высокая твердость после закалки только на поверхности.

Протяжки из мелкозернистой стали менее склонны к поводке и ко­роблению при закалке и обладают большей вязкостью, чем протяжки из крупнозернистой стали.

Большинство всевозможных деталей машин работает в сложных условиях, воспринимая одновременно нагрузки на изгиб, кручение, растяжение и знакопеременные нагрузки. Поэтому для таких деталей следует применять мелкозернистую сталь, имеющую по сравнению с крупнозернистой большую прочность и выносливость. Сталь с круп­ным зерном лучше обрабатывается резанием, чем мелкозернистая.

Динамная и трансформаторная стали имеют наилучшие магнитные свойства только при крупнозернистом строении. В мелкозернистой стали увеличиваются потери на гистерезис.

Этих примеров вполне достаточно для того, чтобы иметь представле­ние о значении величины зерна в формировании структуры и свойств сталей.

Можно выделить следующие основные факторы, влияющие на размер зерна аустенита:

• температура нагрева и время выдержки. С увеличением темпера­туры и продолжительности выдержки в аустенитной области проис­ходит рост зерна аустенита;

• концентрация углерода. Углерод, находящийся в твердом раство­ре, способствует росту зерна;

• наличие карбидо- и нитридообразующих элементов (V, Nb, Ti, Zr, Сг, W, Mo, Al). Мелкие частицы карбидов, карбонитридов и нитридов являются барьерами для мигрирующей границы зерна и тормозят рост зерна аустенита при нагреве;

• наличие Мп и не связанных в нитриды N и А1, способствующих росту зерна аустенита;

• способ подачи тепла при нагреве стали. При больших скоростях нагрева, например при индукционном нагреве, происходит практиче­ски мгновенный разогрев до высоких температур и зерно аустенита получается мельче;

• исходная структура. При более дисперсной структуре центров за­рождения аустенита больше, что способствует образованию мелко­зернистой структуры;

-технология выплавки стали. Разные плавки стали одной марки могут содержать неметаллические включения, различающиеся по со­ставу, размерам, количеству и распределению в матрице.

^^Превращения в стали при охлаждении. Диаграмма изотермических превращений аустенита

При равновесном, т.е. достаточно медленном, охлаждении стали при достижении некоторого переохлаждения ниже температуры А_су на границах зерен аустенита образуется феррит (А —> Ф + А).

Критическая температура, соответствующая началу образования феррита из аустенита при охлаждении, обозначается А_г3. Ее величина зависит от содержания углерода в стали.

При достижении температуры А_с\ и дальнейшем переохлаждении ниже этой температуры аустенит распадается на феррит и цементит - происходит эвтектоидное превращение.

Аустенит заэвтектоидной стали после равновесного охлаждения превращается в исходную смесь перлита и цементита (П + Ц). При этом начиная с температур А_ст из него будет выделяться избыточный углерод в виде вторичного цементита, а при температуре А_с\ аустенит превратится в перлит.

Фазовый состав и структура стали после охлаждения из у-области зависят в основном от скорости охлаждения аустенита и содержания углерода и легирующих элементов в стали.

Для того, чтобы понять, как влияет скорость охлаждения аустенита на строение и свойства получающихся при его распаде структур, рас­смотрим диаграмму изотермических превращений аустенита, т.е. та­ких превращений, которые происходят в процессе выдержки при по­стоянных температурах, лежащих ниже точки А_г\ (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Диаграмма изотермических превращений аустенита стали У8 (0,8 % С)

Диаграмма представлена двумя кривыми (их принято называть С-кривыми). Она составлена в координатах температура-время изо­термической выдержки. Время обычно откладывается в логарифмиче­ской шкапе.

Левая С-кривая является геометрическим местом точек начала пре­вращения (распада) аустенита при соответствующих температурах его изотермической выдержки. Время окончания превращения ограничи­вается правой С-кривой.

Диаграмма заключена между двумя критическими изотермами, из которых изотерма А_с\ соответствует равновесному превращению аусте­нит - перлит, а изотерма М_н - началу мартенситного превращения.

Весь диапазон температур изотермических превращений можно разбить на две части, существенно отличающиеся друг от друга по механизму превращений, составу и особенностям строения фаз, полу­чающихся при распаде аустенита. Границей между этими частями яв­ляется температура, соответствующая перегибу на С-кривых (пример­но 550 °С). Для понимания характера превращений аустенита в обеих температурных областях необходимо иметь в виду следующее.

При переохлаждении аустенита ниже точки А_с\ происходит у —> а- превращение и образование цементита. В ОЦК-решетке феррита рас­творяется намного меньше углерода, чем в аустените. Оказавшийся «лишним» углерод должен образовать карбид железа.

Скорость распада аустенита и характер образующихся при этом продуктов зависят от температуры распада, определяющей скорости самодиффузии железа и диффузии углерода.

Основной причиной аллотропического превращения является стремление сплава к минимуму свободной энергии, следовательно, чем ниже температура переохлажденного аустенита при изотермиче­ском превращении, тем сильнее будет его склонность к распаду и все этапы превращения пройдут быстрее.

Содержание углерода и легирующих элементов в аустените влияют на кинетику перлитного и промежуточного превращений и темпера­туру начала мартенситного превращения М„ (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Диаграммы изотермического распада аустенита: а - углеродистые и низколегированные стали, не содержащие карбидообразующих элементов; б - легированные конструкционные стали; в - сложнолегированные конструкционные стали с повышенным содержанием никеля или марганца; г - высокохромистые стали;

1,2 - начало и конец образования ферритно-карбид ной структуры;

3 - начало образования бейнита

Элементы, не образующие карбидов (Ni, Al, Si, Си), принципиально не меняя вид С-кривой, смещают ее по оси температур превращения и повышают устойчивость аустенита, т.е. увеличивают инкубационный период распада, сдвигая линии по диаграмме вправо. Исключение со­ставляет кобальт, который уменьшает инкубационный период.

Карбидообразующие элементы (Cr, Mo, W, V, Nb, Ti и др.) сущест­венно изменяют вид диаграммы и кинетику превращения, обусловли­вая четкое разделение перлитного и бейнитного превращений с появ­лением между ними области повышенной устойчивости аустенита.

Легирующие элементы также оказывают сильное влияние на тем­пературу начала мартенситного превращения М_н. Наиболее сильно понижает М_н марганец, несколько слабее действуют хром, ванадий, никель, молибден. Медь и кремний в количествах, содержащихся в стали, мало влияют на положение мартенситной точки. Кобальт и алюминий повышают температуру М_н. Углерод и азот сильно снижа­ют температуру мартенситного превращения.

Режим охлаждения стали из аустенитной или двухфазной [аусте- нит-феррит или аустенит-цементит (карбид)] области определяет ме­ханизм и кинетику происходящих при охлаждении превращений.

От скорости охлаждения зависят температурный интервал превра­щения аустенита, продолжительность превращения, а также структура и свойства получающегося продукта превращений.

Скорость охлаждения регулируется способом охлаждения и охла­ждающей средой, в качестве которой используют воду, минеральное масло, водные растворы солей и щелочей, расплавы солей, специально создаваемые синтетические жидкости.

Фазовый состав и структура сплавов железо - углерод, образую­щаяся при медленном охлаждении из области у-твердого раствора, соответствует равновесной диаграмме состояния.

Структура стали с содержанием углерода менее 0,018 % состоит из феррита, по границам зерен которого в процессе охлаждения в соот­ветствии с уменьшением растворимости углерода по линии PQ про­изошло выделение третичного цементита (см. рис. 3.1). Цементит по границам зерен различим при увеличении Х400-600, особенно при травлении щелочным раствором пикрата натрия.

В металле или в однофазном сплаве, которым является феррит, микроструктура может различаться лишь величиной зерна, его фор­мой и ориентировкой. Эти факторы не являются совершенно незави­симыми, но в совокупности влияют на свойства.

При содержании углерода более 0,018 % появляется травящийся в темный цвет эвтектоид - перлит, состоящий из плотно прилегающих одна к другой пластинок феррита и цементита (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Структура перлита

Количество перлита с увеличением содержания углерода возраста­ет вплоть до эвтектоидной точки, соответствующей 0,8 % С. В сплавах с низким содержанием углерода феррит и перлит присутствуют в виде зерен. При среднем содержании углерода феррит располагается во­круг перлита в виде почти непрерывной сетки по границам прежних аустенитных зерен. При дальнейшем увеличении содержания углеро­да сетка становится все более прерывистой, пока, наконец, от нее не остаются лишь отдельные небольшие участки феррита. При содержа­нии углерода 0,8 % структура становится полностью перлитной. Пер­лит состоит из смеси феррита и цементита в соотношении [Ф]: [Ц] = 1:8. Пестрый вид пластинчатого перлита под микроскопом получается в результате того, что в рельефе шлифа цементит выступа­ет над ферритом, а рельеф получается в результате разной полируемо- сти феррита и цементита.

В сталях с содержанием выше 0,8 % С наряду с перлитом в струк­туре появляется заэвтектоидный (вторичный) цементит, выделяющий­ся в виде тонкой сетки по границам аустенитных зерен. С увеличени­ем содержания углерода цементитная сетка утолщается, пока при со­держании углерода более 1,7 % в структуре не появится эвтектика - ледебурит.

По структуре стали можно с достаточной степенью точности опре­делить содержание в ней углерода. В доэвтектоидной стали таким критерием служит количество перлита; в заэвтектоидной стали - тол­щина цементитной сетки; последняя позволяет оценить содержание углерода лишь приблизительно. Необходимым условием для опреде­ления состава стали по ее структуре является медленное охлаждение из аустенитной области, так как при повышенной скорости охлажде­ния соотношение между структурными составляющими может суще­ственно измениться.

Структура пластинчатого перлита не отвечает состоянию с мини­мальным значением поверхностной энергии. Если нагревать сталь при температуре немного ниже точки А_с\ (линия РК на рис. 3.1), то цементит- ные пластинки, стремясь уменьшить свою поверхность, будут превра­щаться в сферические частицы - зерна. Процесс такого превращения осуществляется путем растворения цементита в местах с более высоким значением поверхностной энергии. Возникает структура зернистого пер­лита. При очень медленном охлаждении коагуляция цементита может происходить непосредственно вслед за эвтектоидным превращением.

Свойства структурных составляющих сталей в относительно рав­новесном состоянии приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Механические свойства структурных составляющих сталей

Структурные составляющие	Свойства
	Твердость НВ	ав, МПа	\|/, %	6,%
Феррит Цементит Перлит (пластинчатый) Зернистый перлит в эвтектоидной стали	50...90 .820 .230 .190	.245 .882 .686	.75 .15 .25	.50 .12 .25

Рассмотрим особенности превращения аустенита с 0,8 % С при различных скоростях охлаждения: V\ < V2 < V3 < Ул (рис. 3.7). По­скольку С-кривые строятся в координатах время-температура, можно условно наложить на них кривые охлаждения.

При увеличении скорости охлаждения снижаются температуры рас­пада аустенита на ферритоцементитную смесь и уменьшается время распада. Вследствие этого снижается интенсивность происходящих при распаде диффузионных процессов и увеличивается число зарож­дающихся в зернах аустенита центров, вокруг которых растут зерна нового продукта - перлита, состоящего из пластин феррита и цементита.

Отметим, что при очень малых скоростях охлаждения (Vi) при рас­паде аустенита получается перлит, при несколько более высоких (У₂) - сорбит, при ускоренном охлаждении (V3) образуется троостит.

М

Рис. 3.7. Влияние скорости охлаждения на структуру стали У8 (0,8 % С)

М_в

о

м_к

In т

При ускорении охлаждения дисперсность Ф-Ц-смеси повышается пластинки феррита и цементита в перлите становятся тоньше. Это приводит к повышению его прочности.

Так как структуры перлита, сорбита и троостита состоят из одних и тех же фаз (Ф + Ц), их принято относить к семейству перлитов, а превращение аустенита при их образовании - называть перлитным превращением.

Однако прочностные и другие механические свойства продуктов распада аустенита зависят не только от дисперсности фаз, образую­щихся при распаде. Определяющее влияние на них оказывают плот­ность генерируемых при охлаждении дислокаций и уровень остаточ­ных внутренних напряжений.

Последние два фактора зависят от значений возникающих в стали термических и фазовых внутренних напряжений, сумма которых опре­деляет общий уровень внутренних напряжений. Уровень внутренних напряжений влияет на интенсивность работы источников Франка - Ри­да и, следовательно, на плотность генерируемых ими дислокаций.

Термические напряжения возникают при любых изменениях тем­пературы сплава, что обусловлено разницей удельных объемов (плот­ностей) сосуществующих в едином монолите слоев металла. Эти на­пряжения тем выше, чем больше скорость охлаждения. Следователь­но, применительно к охлаждению они возрастают с повышением ско­рости охлаждения от V\ до V₄ (см. рис. 3.7).

Фазовые напряжения возникают в процессе превращения аустени­та. Уровень фазовых напряжений зависит от разницы удельных объе­

мов аустенита и образующихся при его распаде продуктов, а также от скорости превращения, определяемой скоростью охлаждения.

Аустенит обладает наименьшим удельным объемом. Далее в по­рядке увеличения удельного объема следуют перлит, сорбит, троо­стит, бейнит и мартенсит.

С увеличением скорости охлаждения уровень внутренних напря­жений возрастает, что приводит к увеличению плотности дислокаций и как следствие - к повышению показателей прочности. Скорость V4 превышает критическую скорость закалки V^,, изображаемую в виде касательной к левой С-кривой (см. рис. 3.7). Поэтому теоретически аустенит при V4 может переохладиться вплоть до интервала темпера­тур начала мартенситного превращения М_н.

Плотность дислокаций в перлите, сорбите и троостите составляет, соответственно, порядка 10⁷, 10⁸ и 10⁹ см^-2. Эти структуры характери­зуются разным межпластинчатым расстоянием и имеют разную твер­дость (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Условия образования и характеристика перлитной структуры

Структура	Температура изотерми­ческой выдержки, °С	Скорость охлаждения	Межпластинчатое расстояние, мкм	Твердость НВ
Перлит Сорбит Троостит	Аг1...650 650...600 (Ю0...50С[__	град/мин десятки град/мин десятки град/с	0,5...1 0,2...0,4 -0,1	.230 .330 .400

Перлитное превращение

Рассмотрим подробнее характер превращений аустенита в верхней области температур С-кривой (выше 550 °С) (см. рис. 3.4).

В этой области температур диффузия протекает достаточно легко. В связи с этим у —> a-перестройка железа и образование цементита идет диффузионным путем. Аустенит превращается в смесь равновес­ных по составу фаз: Ф + Ц.

Началу распада аустенита предшествует подготовительный, или инкубационный период (см. рис. 3.4). При снижении температуры изо­термической выдержки его продолжительность уменьшается.

При понижении температуры изотермической выдержки повыша­ется энергетический стимул распада, но снижается интенсивность диффузионных процессов. Это приводит к уменьшению времени рас­пада и обусловливает повышение дисперсности образующихся при

распаде аустенита пластинок феррита и цементита. При этом проч­ность продуктов распада повышается. Поэтому весь диапазон темпе­ратур выше выступа С-кривых условно принято делить на три части, в каждой из которых образуются разные по структуре и свойствам про­дукты распада аустенита (перлит, сорбит, троостит).

Распад аустенита доэвтектоидных сталей начинается с выделения из него зерен феррита в интервале температур А_сЪ...А_с\. Поэтому структура стали содержит избыточный свободный феррит. У заэвтек­тоидных сталей превращение аустенита при охлаждении начинается с выделения вторичного цементита Ц_п в интервале температур А_ст...А_с\, преимущественно по границам зерен. Далее во всех сталях при пере­охлаждении ниже температуры А_с\ идет перлитное превращение с об­разованием структуры пластинчатого перлита.

С понижением температуры, при некотором „переохлаждении, а также с увеличением скорости охлаждения выделение вторичного п,&- _ ментита подавляется, его включения становятся более мелкими и трудно различимыми. Поэтому в сорбите и гроостите при Vi и (см. рис. 3.7) они вообще незаметны и структура представляет собой однородную смесь пластинок Ф + Ц (см. рис. 3.6).

Перлитное превращение переохлажденного аустенита происходит по диффузионному механизму. В первую очередь при распаде прак­тически однородного по концентрации углерода аустенита на феррит и цементит (имеющих резко различную концентрацию углерода) об­разуется карбид. Как правило, его зародыши образуются на границах зёрён аустенита (рис. 3.8).

В результате роста частиц этого карбида прилегающий к нему объ- ем аустенят^обедняётся углеродом, снижает свою устойчивпстк_и-в этйх участках происходит полиморфное у—>а-превращение.

Дальнейший рост ферритных пластинок ведет к обогащению окру­жающего аустенита углеродом, что затрудняет развитие у—>а- превращения. В обогащенном таким образом углеродом аустените зарождаются новые и растут ранее возникшие пластинки цементита. Причем пластинки феррита и цементита не утолщаются, а происходит их рост с торцевой поверхности в длину - «торцевой рост».

- межпластинчатов So расстояние

Рис. 3.8. Схема образования перлита в зерне аустенита

В результате образования и роста частиц карбидов вновь создаются условия для возникновения новых и роста имеющихся пластинок~фер- рй'тагВ результате происходит колониальный (совместный) рост кри­сталликов феррита и цементита, образующих перлитную колонию. Размер перлитных колоний тем меньше, чем мельче зерно исходного аустенита и больше степень его переохлаждения.

Продукты перлитного превращения имеют пластинчатое строение (см. рис. 3.6). Чем больше переохлаждение, тем дисперснее получаю­щаяся ферритоцементитная структура, меньше величина межпластин- чатого расстояния и выше твердость эвтектоида (см. табл. 3.2).

В верхней части С-кривой (А_г\ - 650 °С) образуется наиболее крупно­пластинчатая смесь (Ф + Ц), обладающая наименьшей твердостью (170...230 НВ). Ее называют собственно перлитом (П). Образующийся в средней части (650...600 °С) сорбит (С) состоит из более тонких пласти­нок (Ф и Ц), образующих более мелкие колонии перлита. Твердость сор­бита поэтому выше (230.. .330 НВ). В нижней части (600.. .500 °С) образу­ется самая мелкодисперсная тонкопластинчатая смесь, называемая тро- оститом (Т), которая имеет более высокую твердость (330.. .400 НВ).

На рис. 3.9 показано изменение твердости (HRC) и межпластинча- того расстояния (So) в зависимости от температуры перлитного пре­вращения.

Рис. 3.9. Зависимость твердости и межпластинчатого расстояния от температуры перлитного превращения в стали

Бейнитное превращение ^

Природа бейнита. Распад аустенита в области температур ниже выступа С-кривой (550...250 °С) происходит при явно недостаточной скорости диффузионных процессов. Подавлена самодиффузия железа при сохранении способности углерода к диффузионному перераспре­делению. Зто предопределяет характер формирования образующейся при распаде структуры, называемой бейнитом в честь американского ученого Бейна, впервые исследовавшего изотермические превращения аустенита. Скорость формирования новых фаз в этих условиях полно­стью зависит от интенсивности диффузии.

Это проявляется, прежде всего, в увеличении продолжительности инкубационного периода и постепенном увеличении расстояния меж­ду нижними ветвями начала и конца превращения на С-кривых.

Механизм бейнитного превращения промежуточный между рассмот­ренным диффузионным перлитным превращением и бездиффузионным сдвиговым мартенситным превращением, когда диффузия железа и угле­рода подавлена полностью. Образующиеся при изотермическом распаде аустенита в бейнитной области фазы Ф' и Ц' отличаются от Ф и Ц перли­та и создают структуры бейнита, отличающиеся от П, С и Т. С пониже­нием температуры распада твердость бейнита возрастает, так как больше углерода остается в пересыщенном a-Fe (Ф').

В результате промежуточного превращения образуется бейнит, представляющий собой структуру, состоящую из несколько пересы­щенного углеродом a-твердого раствора, образовавшегося в результа­те сдвигового a-y-превращения, и частиц карбидов. Различают струк­туру верхнего и нижнего бейнита. Верхний бейнит, образующийся обычно в области температур ~ 500...350 °С, имеет «перистый» вид: частицы карбидов выделяются не в виде пластинок, как в перлите, а в виде изолированных узких частиц по границам ферритных пластин (рис. 3.10).

Нижний бейнит образуется при температурах от 350 °С до темпе­ратуры начала мартенситного превращения (М_н) и имеет игольчатое (пластинчатое) мартенситоподобное строение (см. рис. 3.10). Карбид­ные частицы в нижнем бейните располагаются в пластинках а-фазы.

Механизм бейнитного превращения смешанный - диффузионно­сдвиговой.

Процесс перестройки у-ГЦК-решетки в а-ОЦК в бейнитной облас­ти происходит сдвиговым путем.

Рис. 3.10. Структура верхнего (а) и нижнего (б) бейнита

Из-за замедления диффузионных процессов в рассматриваемой облас­ти температур пересыщенный твердый раствор углерода в a-Fe, образо­вавшийся в результате аллотропического превращения, не может полно­стью освободиться от лишнего количества растворенного углерода.

Следовательно, образующаяся при распаде аустенита в данной об­ласти фаза на Ф' должна представлять собой пересыщенный твердый раствор углерода в a-Fe, тем сильнее отличающийся по содержанию углерода от феррита, чем ниже температура превращения.

Карбидная фаза Ц', образующаяся при выходе углерода из пересы­щенного твердого раствора, по составу и строению несколько отлича­ется от цементита. С понижением температуры это отличие возраста­ет, а количество карбидной фазы уменьшается, поскольку снижается количество высвобождающегося из раствора углерода.

Поэтому структура верхнего бейнита более грубая, выделение кар­бидов происходит главным образом из аустенита. При образовании нижнего бейнита пересыщение ос-фазы углеродом больше, карбиды выделяются главным образом в кристаллах a-фазы и структура полу­чается более тонкая и равномерная.

Бейнитное превращение, в отличие от перлитного, не идет до конца. Не распавшийся при изотермической выдержке аустенит при последую­щем охлаждении будет в той или иной степени претерпевать мартенсит- ное превращение и сохраняться в виде остаточного аустенита.

Механические свойства стали с бейнитной структурой. Образо­вание верхнего бейнита снижает пластичность стали по сравнению с перлитной структурой, при этом твердость и прочность практически не изменяются.

Пониженная пластичность верхнего бейнита связана с выделением сравнительно грубых карбидов по границам ферритных зерен.

Нижний бейнит обеспечивает высокий уровень механических свойств: прочности, пластичности, ударной вязкости и статической трещиностойкости. По сравнению с перлитной структурой он имеет более высокую твердость и прочность при высокой пластичности и вяз­кости. Это объясняется повышенным содержанием углерода и большой плотностью дислокаций в бейнитной ос-фазе, а также образованием дисперсных карбидов, расположенных в кристаллах этой фазы.

Основанная на промежуточном превращении термическая обра­ботка (изотермическая закалка) на нижний бейнит обеспечивает высо­кий комплекс механических свойств и, что особенно важно, высокую конструктивную прочность, поэтому ее широко используют в про­мышленности для упрочнения ответственных деталей машин.