2. Превращение пер еохл аж д енного ауст енит а

(ДИАГРАММА ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО РАСПАД А

ПЕРЕОХЛ АЖ Д ЕННОГО АУСТ ЕНИТ А)

Переохлаждение стали со структурой аустенит, полученной в р ез у л ьта те

аустенизации ниже точк и Аr_1, приводит аустенит в метастабильное состояние и

он претерпевает превращение.

Кинетика превращения описывается диаграммой изотермического пре­вращения (распада) аустенита, которая строится экспериментально в координа­та х t⁰ – время.

ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ

На г р е в образцов до температур ста­бильной аустенита (выше критиче­ской то ч к и) и быстрое охлаждение до температур ниже А₁, например 700⁰, 600⁰, 500⁰, 400⁰ и т.д.

Вы д е р ж к а при этих температурах до полного распада аустенита (фикси­руют изменение какого-нибудь свойства, например магнитных ха­рактеристик: аустенит парамагни­тен, а продукты его превращения ферромагнитны).

Построение кинетической кривой распада при заданной температуре.

период пре-

ОА – инкубационный вращения;

ау-

а – время начала превращения с тенита;

b – время конца превращения аусте-нита.

►

Схема построения диаграммы

Вр е м я начала превращения (то ч к и а₁, а₂, а_3,…) и конца превращения (то ч к и b₁, b₂, b_3,…) отнес ены к те м -пературе превращения (t₁, t₂, t_3,…) и одноименные то ч к и соединены ме­жду собой.

61

>

Диаграмма изотермического распада показывает превращение пе­реохлажденного аустенита, протекающее при постоянной тем пе-ратуре в течение определенного времени. На рис. 8,а приведена диаграмма эвтектоидной стали.

При изотермическом превращении в до- и заэвтектических сталях в верхнем интервале температур сначала выделяются избыточные фазы – феррит (доэвтектоидная) и цементит (заэвтектоидная) сталь. На диаграмме отмечается дополнительная кривая (б).

П ерлитное превраще­ние протекает в интер­вале те м пе ратур от то ч к и А₁ до изгиба из о -те р м и ч е с к о й диаграммы (~550⁰С), происходит диффузионный распад аустенита с образова­нием перлитных струк-ту р – перлит, сорбит, троостит.

Бейнитное (промежу- то ч н о е ) превращение протекает при тем пе р а - турах от ~550⁰С до то ч к и Мн. Пр е в р ащ е - ние имеет ряд особен­ ностей, присущих как перлитному, так и мар- тенситному превраще­ ниям. Образуется структура - бейнит.

е-

Мартенситное

вращение – протека­ет в интервале те м -ператур (Мн-Мк). Аустенит бездиффу-зионно превращается в мартенсит, и оста­ется некоторое коли­чество аустенита не-превращенного.

62

ПЕРЛ ИТ НОЕ ПР ЕВР АЩЕНИЕ

Перлитное превращение связано с перераспределением углерода в ау-стените и полиморфным н-^ос превращением, что приводит к образо­ванию феррито-цементишой смеси - перлита. Превращение имеет диффузионный механизм.

Ао_;8о_/(С -> Фо_;02о/„ + Fe3C6_j67o_/o

МЕХАНИЗМ ПРЕВРАЩЕНИЯ

межпластинчатое расстояние

в

- образование зародыша Fe₃C местах флуктуации углерода (ча­ще на границах зерна аустенита).

- обеднение прилегающих к заро­дышу участков аустенита углеро­да за счет роста частиц карбида.

• полиморфное у^ос превращение в участках аустенита, обедненных углеродом. Кристаллы феррита зарождаются на границе аустенит

• цементит.

- рост плас тинок феррита и о тте с -нение атомов углерода в соседние объемы аустенита.

- образование флуктуаций углеро­да в этих объемах аустенита. Соз­даны условия для образования но­вых зародышей Fe₃C.

Температура превращения (степень переохлаждения относительно Ar1) влияет на структуру и свойства.

Л

^превращ., °С
Аr1 –	650
650	■590
580	■550

СТРУКТУРА

перлит

сорбит

троостит

мкм

0,6 - 1,0

0,25 - 0,30

0,1 - 0,15

НВ, МПа

1800 - 2500

2500 - 3500

3500 - 4500

63

М ар тенс ит – пе р ес ыщ енный упо р ядо ч енный т в е р д ы й раствор в недр ения углерода в решетке α-железа. С о д е р ж а ние углерода в мартенсите может быть т а к и м же, как в и с х о д н о м ау с тените (рас творимос ть углерода в Fe_α п р и 20⁰ ~ 0, 008%). А_0,8%С → М_0,8%С (не т перерас пределения углерода между фазами). Т емпературный инте р в а л пр е в р а щ е ния – Мн–Мк .

механизм превращения - сдвиговой процесс, который осуще­ствляется кооперативным, направлен­ным смещением атомов на расстояния меньше межатомного, что приводит к перестройке у-^ос решетки. Отсутст­вие диффузии углерода приводит к образованию тетрагонального иска­жения решетки (с/а Ф1).

с/а = 1 + 0,046С

кинетика превращения - мартенс итное п р е в р а щ е н и е протек ае т пр и не пр е р ы в но м охлаждении в инте р -вале те м пе р а ту р М н – М к . Рас тущие крис таллы к о г е р е н тн о связаны с ау с те-нито м . Т ипич на я форма кристаллов – пл ас тина ил и л инз а . Пр ев р ащ е ние не и д е т до к о н ц а , о с таетс я некоторое ко-личес тво А_ост.

кривая мартен ситн ого превращен ия

64

Свойства мартенсита зависят от количества уг­лерода в стали. Чем больше углерода, тем выше тв е р д о с ть , прочность, но ниже п л а с ти ч но с ть , выше хрупкость. Это объясняется влиянием внедренных атомов углерода в решетку α-фазы и повышенной плотностью дефектов кристал­лического строения, образовавшихся при мар-тенситном превращении.

Р азличают два основных морфологических типа мартенситных кристаллов

М ар тенс ит пл ас тинч атый (д в о йник о -вый). Образуетс я в выс окоуглероди-стых сталях ( > 0, 8 % С). Точка Мн низ к ая.

схема структуры Крис таллы М им е ют л инз о в ид ную форму, не параллельны, образуют сложные пр о с тр анс тв е нные г р у ппы.

Мартенсит реечный (пакетный). Образуется в сталях с содержанием углерода до 0,5 % Мн лежит при высоких температурах.

Схема структуры Кристаллы М имеют форму тонких (0,1 – 0,2 мкм) плас тин (реек), группа пластин образует пакет.

микроструктура

Кг »

микроструктура

В структуре сталей с содержанием углерода от 0,5 % - до 0,8 % присутст-

вуют оба типа мартенсита.

65

66

С ТРУКТУРА БЕЙНИТ

В рез ультате промежуточного превращения образуется бейнит – структура, состоящая из α-тв ер до г о раствора, претерпевшего мартенситное превраще­ние и несколько пересыщенного углеродом и частиц карбида. Различают структуру: верхнего и нижнего бейнита.

В ерхний бейнит

Образуется при 500 – 350⁰С, имеет вид "резаной соломы". Цементитные частицы в виде обособленных узких пласти­нок.

схема структуры

Пониженная прочность в соче­тании с невысокой пластично­стью.

Нижний бейнит

структуры

схема

Образуется при 350 – Мн. Им еет игольчатое (пластинчатое) строение. Частицы цементита выделяются в α-фазе. Вы с о к а я тв е р д о с ть и проч­ность в сочетании с хорошей пла-стичнос тью.

микроструктура, х 1000

микроструктура, х 1000

67

Легирующие элементы существенно влияют на скорость превращения аустенита при охлаждении.

Л егирующие элементы не меняют механизм перлитного и бейнитно-го превращений, сдвигают диа­грамму изотермического распада аустенита вправо (за исключени­ем Со). Пр и легировании карби-дообразующими элементами мо­жет меняться вид диаграммы. Это приводит к увеличению устойчи­вости переохлажденного аустени-та и снижению V_{кр .}

Кривые критических скоростей закалки

уг леродистой (1) и легированной (2)

сталей

V_кр дает возможность

Снижение

закалки в масле, что с нижает за­кал напряжения, снимает короб­ление, поводку деталей.

Легирующие элементы не меняют механизма мартенситного превра­щения, но изменяют температурный интервал превращения Мн – Мк и количество аустенита остаточного в структуре (А_ост).

Снижение то чек Мн, Мк ниже ком­натной температуры та к ж е приводит к увеличению % А_ост, что ухудшает свойства стали.

68

П РЕВРАЩЕНИЕ ПРИ ОТПУСКЕ

₁

Нагрев закаленной стали до температур ниже АС₁ называют отпуском. При отпуске происходят структурные изменения, приводящие систему в более устойчивое состояние.

(М + Ао_ст) -> Ф + Fe₃C

ДИФФУЗИОННЫЙ МЕХАНИЗМ ПРЕВРАЩЕНИЯ (ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДА)

₁

Т⁰С Происходящие процессы Структура

Сегрегация уг­лерода	< 100	Образование сегрегаций (с коплений) углерода на дислокациях.	М закалки
I превращение при отпуске: 1 стадия 2 стадия	< 200 200-300	Образование в мартенсите ε-карбида Fe2C (тонкие пла-с тинки). Уменьшение те тр а -гональнос ти мартенсита. Укрупнение плас тинок ε-карбида за счет углерода из участков пересыщенного раствора.	Мз^Мот плотность дисло­каций уменьшает­ся, искажения ре­шетки остаются. МотСосш р +е) % С уменьается
II превращение при отпуске	250-350	Образование Мот из Аост.	Мот, Аост. (М, о бед ненный углеродом + Fe3C)
III превраще­ние при отпус­ке	350-400	Полностью завершается процесс выделения углерода из мартенсита и образование цементита Fe3C.	Мот → Тотп троостит отпус­ка - α и Fe3C зернистой фор­мы.
IV превраще­ние при отпус­ке – коагуляция карбидов	500-600	Растворение мелких и рост крупных карбидов.	Тотп → Сотп сорбит отпуска – смесь кри­сталлов феррита и Fe3C, где dц~1 мкм.
	600-680	Укрупнение частиц карбида	Зернистый перлит dц~3 мкм.

69

Легирующие элементы Cr, Mo, W, V, Co, Si затрудняют распад мартенсита и сдвигают температуру распада в область более высоких температур (450-500⁰С), тормозят коагуляцию карбидов. Стали приобретают повышенную сопротивляемость к отпуску – теплостойкость.

Элементы, не образующие карбидов, слабо влияют на превращение при от­пуске.

Пр и отпуске легированных хромистых и хромоникеле-вых сталей снижается ударная вязкость и повы­шается температура пере­хода в хрупкое состояние – отпус кная хрупкость. Не -обратимая хрупкость (I ро­да ~ 400⁰С) не исправляет­ся; обратимая (II рода ~ 500 –550⁰С) можно предот­вратить быстрым охлажде­нием (кривая 2).

70