Глава 2. Перетворення в сталі при нагріві (утворення аустеніту)

1. Механізм і кінетика аустенізації

В рівноважних умовах існування, як видно з діаграми Ре-Ре₃С (рис. 162), сталі мають структуру, яка складається з евтектоїда - перліту і надлишкових фаз - фериту або цементиту. Перліт представляє собою суміш двох фаз - фериту і цементиту. При нагріві в точці А і перетворення П—>А до кінця не відбувається, а при нагріві

ледь вище цієї точки - до Ас,, перліт перетворюється в аустеніт за реакцією:

Ф

Ре_а(С) 0,02% с+ РегС 6,67% с

нагрів

>Теу(С)о,8%С

+ Ц^>А, або

П

Рис. 163. Схема перетворення ферито-цементитної структури (перліту) в аустеніт при нагріві: І - зерно перліту; II - поява зародків аустеніту;

III - поступове розчинення цементиту в аустенітній матриці;

IV - гомогенний аустеніт.

В умовах повільного нагрівання перетворення відбувається при температурах, ледь вищих за температуру Асі. З підвищенням швидкості нагріву початок і кінець перетворення зміщуються до більш високих температур. Тому процеси переходу ферито-цементитної структури в аустенітну описуються діаграмами ізотермічного утворення аустеніту. Одна з таких діаграм для евтектоїдної сталі (С= 0,8%) представлена на рис. 164.

Як видно з діаграми, час, необхідний для утворення аустеніту при температурах, близьких до Асі, складає хвилини, тоді як при

ерехід перліту в аустеніт - процес дифузійний і підпорядковується основним положенням теорії кристалізації. Перетворення відбувається при двох одночасно протікаючих процесах: поліморфному а—*у переходу і розчиненню в аустеніті (у) цементитпих пластинок. Первісні зародки аустеніту утворюються на межах розділу цементиту і фериту (рис. 163) зсувним шляхом (а—»у) при збереженні когерентних меж. Потім в аустеніті розчиняється цементит Ре₃С, і вміст вуглецю в аустеніті наближається до рівноважного. Під час росту зародка когерентність а і у-решіток порушується, зсувний механізм замінюється нормальним механізмом росту, і зерна аустеніту набувають рівноосну форму.

800-850°С перетворення відбувається на протязі 5-10 с. Збільшується не тільки швидкість росту аустенітних ділянок, але і ймовірність зародження аустеніту. Це пояснюється, з одного боку, прискоренням дифузійних процесів, а з другого - підвищенням градієнта концентрації вуглецю в аустеніті.

Ш

Рис. 164. Діаграма ізотермічного перетворення перліту в аустеніт при нагріві сталі з 0,8 % С.

видкість перетворення перліту в ау

ч

стеніт, крім температури нагріву, залежить від його вихідного стану. З підвищенням дисперсності ферито-цементитної суміші час закін

ення всіх етапів аустенізації зменшується.

При безперервному нагріванні з ростом швидкості нагріву температури закінчення утворення аустеніту і його гомогенізації підвищуються. Одержання точних кількісних даних при безперервному нагріванні викликає потребу у будуванні відповідних тер- мокінетичних діаграм.

У вуглецевих сталях при нагріві в печах утворення і гомогенізація аустеніту проходить досить швидко. В легованих сталях гомогенізація аустеніту затримується через присутність таких карбідоутворюючих елементів, як Сг, Мо, Щ V, NЬ. Вони утворюють легований цементит або спеціальні карбіди, які важко розчинити в аустеніті. Некарбідоутворюючі елементи знаходяться в фериті, що гакож уповільнює дифузію вуглецю, і гомогенізація аустеніту затримується. Тому після закінчення перліто-аустенітного перетворення аустеніт легованих сталей ще якийсь час зостається хімічно неоднорідним, і для його гомогенізації потрібно збільшувати витримку при даній температурі або підвищувати саму температуру перетворення.

Розглянуті процеси аустенізації відіграють важливу роль в процесах структуроутворення сталей при індукційному нагріві і при

зварюванні, коли час перебування сталі в області температур ау- стенізації дуже малий.

В доевтектоїдних сталях (С<0,8%) окрім перліту існує надлишковий ферит, який перетворюється в аустеніт в інтервалі температур нагрівання від Асі до Асз. Повна фазова перекристалізація відбудеться після нагрівання до температури вище Асз (на 20-30°С), коли під час витримки пройде вирівнювання хімічного складу зерен аустеніту. Спочатку зерно аустеніту буде дрібне. Потім нагрівання сталі до температур, значно вищих Асз, може призвести до того, що зерно аустеніту почне зростати (рис. 165).

В заевтектоїдних сталях (С>0,8%) в інтервалі температур від Ас І до Аст буде йти процес розчинення цементиту вторинного, присутність якого в структурі сталі запобігає зростанню зерен аустеніту. Нагрів вище А_ст призводить до повного розчинення цементиту, що

Рис. 165. Утворення і ріст зерен аустеніту при нагріві сталей.