13.3 Механизм основных превращений

1. Превращение перлита в аустенит.

Превращение основано на диффузии углерода, сопровождается полиморфным превращением Fe_  Fe_, а так же растворением цементита в аустените.

Превращение начинается с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела «феррит-цементит», кристаллическая решетка Fe_ перестраивается в решетку Fe_ (рис. 13.2).

а	б	в	г
Рисунок 13.2 – Механизм превращения перлита в аустенит: зарождение аустенитных зерен (а); рост зерен и растворение феррита (б); рост зерен и растворение цементита (в); аустенит (г).

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. 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 оказывает влияние на свойства стали. Стали различают по склонности к росту зерна аустенита. Различают величину зерна наследственного и действительного.

Если зерно аустенита начинает быстро расти даже при незначительном нагреве выше температуры А₁, (рис. 13.3) то сталь наследственно крупнозернистая. Если зерно растет только при большом перегреве, то сталь наследственно мелкозернистая.

Рисунок 13.3 – Рост аустенитного зерна при нагреве. 1 – наследственно мелкозернистые стали; 2 – наследственно крупнозернистые стали.

Склонность к росту аустенитного зерна является плавочной характеристикой. Стали одной марки, но разных плавок могут различаться, что объясняется различным химическим составом. Ванадий, титан, молибден, вольфрам, алюминий – уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а марганец и фосфор – увеличивают ее.

Действительная величина зерна – размер зерна при обычных температурах, полученный после термической обработки.

Неправильный режим нагрева заготовки может привести к следующим дефектам.

Перегрев. Нагрев доэвтектоидной стали значительно выше температуры А₃ приводит к интенсивному росту зерна аустенита. При охлаждении феррит выделяется в виде пластинчатых или игольчатых кристаллов. Такая структура 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 (в переплавку).

2. Превращение аустенита в перлит при медленном охлаждении.

Превращение связано с диффузией углерода, сопровождается полиморфным превращением Fe_  Fe_, выделением углерода из аустенита в виде цементита и его разрастанием.

В начале охлаждения наблюдается инкубационный подготовительный период, время, в течение которого сохраняется переохлажденный аустенит. Время устойчивости аустенита и скорость его превращения определяются степенью переохлаждения. Максимальная скорость превращения соответствует переохлаждению ниже температуры А₁ на (150…200) С, т.е. соответствует минимальной устойчивости.

Превращение протекает с различной скоростью и достигает максимума при образовании 50 % продуктов распада. Затем скорость начинает уменьшаться и постепенно затухает.

При температуре 727 С и ниже 200 С скорость равна нулю. При температуре 200 С равна нулю скорость диффузии углерода.

Для изучения распада образцы нагревают до температуры, при которой структура состоит из однородного аустенита (770 С). Затем переносят в термостаты с заданной температурой (интервал (25…500) С). Превращение аустенита обнаруживается по изменению магнитных характеристик, так как аустенит парамагнитен, а феррит и цементит ферромагнитны.

Получают серию кинетических кривых (рис. 13.4 а), которые показывают количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения.

Рисунок 13.4 – Кинетические кривые превращения аустенита при охлаждении (а); диаграмма изотермического превращения аустенита (б).

Горизонтальная линия М_н показывает температуру начала бездиффузионного превращения. Такие диаграммы называются диаграммами изотермического превращения аустенита (рис. 13.4 б).

При малых степенях переохлаждения в области температур (727…550) С сущность превращения заключается в том, что 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 % углерода.

Механизм превращения представлен на рис. 13.5.

При образовании перлита из аустенита ведущей фазой является цементит. Зарождение центров кристаллизации цементита облегчено на границе аустенитных зерен. Образовавшаяся пластинка цементита растет и обедняет соседние области углеродом – образуются пластинки феррита. Рост образовавшихся колоний продолжается до столкновения с соседними кристаллами.

а	б	в
Рисунок 13.5 – Механизм превращения аустенита в перлит: зарождение центров кристаллизации цементита (а); образование феррита (б); перлит (в).

Толщина соседних пластинок феррита и цементита определяет дисперсность структуры (рис. 13.6) и обозначается ₀. Она зависит от температуры превращения. В зависимости от дисперсности продукты распада имеют различное название.

₀  (0,5…0,7)10^-3 мм – перлит.

Образуется при переохлаждении до температуры (650…700) С, или при скорости охлаждения V_охл = (30…60) С/ч.

₀  0,2510^-3мм – сорбит.

Образуется при переохлаждении до температуры (600…650) С, или при скорости охлаждения V_охл = 60 С/с. Структура характеризуется высоким пределом упругости, достаточной вязкостью и прочностью.

₀  0,110^-3мм – троостит.

Образуется при переохлаждении до температуры (550…600) С, или при скорости охлаждения V_охл = 150 С/с. Структура характеризуется высоким пределом упругости, малой вязкостью и пластичностью.

а	б	в	г
Рисунок 13.6 – Микроструктуры продуктов перлитного превращения: аустенит (а) (х1500); перлит (б) (х600); сорбит (в) (х800); троостит (г) (х800).