2. Ріст зерна аустеніту

Як вже було відмічено, після закінчення аустенізації зерна аустеніту здібні до зростання. Рушійною силою цього процесу є перівноважність поверхневого натягу на межах і в стиках зерен. З підвищенням температури ріст зерна аустеніту прискорюється. Спочатку зерно росте рівномірно, але при значно високих температурах може з'явитися неравномірний ріст зерна. Схильність до росту зерна залежить від природи самої сталі: дрібні зерна аустеніту під час нагріву до певних температур можуть бути стабілізовані проти росту дисперсними частинками (наприклад, нітридами алюмінію, карбідами), а в інших випадках, коли таких частинок немає, зерно буде дуже швидко збільшуватись.

В сталях розрізняють: початкове зерно, дійсне (або справжнє) зерно і природне (або спадкоємне) зерно.

Початковім називають зерно аустеніту, яке утворюється одразу після закінчення процесу перетворення перліту в аустеніт. Розмір початкового зерна залежить від таких факторів:

1. дисперсності структури перліту (чим топкіші пластинки цементиту, тим їх більше і тим менша поміж них відстань; це забезпечує утворення великої кількості зародків аустеніту на готових поверхнях розділу ферит- цементит);

2. швидкості нагрівання (чим вища швидкість нагрівання, тим дрібніше початкове зерно аустеніту); це пов'язано з тим, що під час збільшення швидкості нагрівання перетворення перліту в аустеніт закінчується лише в області високих температур, і зерно не встигає виростати. Таким чином, в умовах нагрівання з великою швидкістю (при нагріванні СВЧ, при багатьох способах зварювання) можна одержати дрібне* зерно в сталі навіть тоді, коли температура нагрівання досягає більше 1200°С.

С Дійсним (або справжнім) називають таке зерно аустеніту в сталі, яке~утворилося в результаті проведеної технологічної операції (термічної обробки, зварювання або обробки тиском).: Від розмірів дійсного зерна аустеніту залежать властивості сталГяк у нагрітому с гані, так і після охолодження.

Якщо зерно аустеніту виросло до великих розмірів (бали №1,2 шкали ТОСТ 5639-82 на рис. 166), то утворені після охолодження с галі структури будуть крупнокристалічними з низькими механічни-

ґ

Рис. 166. Шкала для визначення величини зерна сталі,

Ьь£і

ми властивостями. Особливо різко знижується ударна в'язкість і підвищується температурний поріг холодноламкості сталі (Т₅₀).

Величина дійсного зерна аустеніту залежить:

1. від величини початкового зерна аустеніту (чим дрібніше початкове зерно, тим, при інших рівних умовах, дійсне зерно менше);

2. від схильності сталі до росту зерна під час нагрівання (на схильність впливає спосіб розкислення сталі, вміст домішок, вуглецю і легуючих елементів);

3. від температури нагріву і часу видержки при даній температурі.

Розмір зерна аустеніту не змінюється після охолодження сталі з будь-якою швидкістю. Схильність до росту зерна аустеніту неоднакова навіть у сталей одного марочного складу внаслідок умов їх виплавлення і обробки тиском. Збільшення концентрації вуглецю в аустеніті сприяє росту зерна. Майже всі легуючі елементи гальмують ріст аустенітного зерна; виключенням є марганець, який підсилює ріст зерна аустеніту. Найбільш сильно гальмують ріст аустенітного зерна V, Ті, АІ, 2г; добре гальмують ріст зерна \У, Мо, Сг\ слабко впливають М, Зі.

Основною причиною цього впливу легуючих елементів є утворення важкорозчиняємих в аустеніті карбідів, нітридів і оксидів, які являються бар'єрами для росту зерна. Такі активні карбідоутво- рюючі, як Ті, 2г, V, сильніше впливають, ніж Сг, V/, Мо, тому що карбіди перших більш стійкі при нагріві і трудніше розчиняються в аустеніті.

В зв'язку з цим відрізняють сталі природно-крупнозернисті та природно-дрібнозернисті. На рис. 167 показано, що при температурах, які незначно перевищують критичну точку Асі, розмір зерен аустеніту природно-крупнозернистої сталі більший, ніж природно- дрібнозернистої сталі. Однак, при температурах, значно вищих А₃, навпаки, зерно може бути крупнішим у природно-дрібнозернистої сталі.

Саме дійсний розмір зерна впливає на властивості сталі. Якщо у двох різних сталей з неоднаковою схильністю до росту зерна після певної термообробки буде одержано однакове зерно, то властивості їх також будуть однаковими. Слід зауважити, що вибір параметрів технологічних процесів, пов'язаних з нагріванням сталі до високих температур (обробка тиском, зварювання) визначається природним

Рис. 167. Схема росту зерна в гіриродно- крупнозернистій (ПК) і природно- дрібнозернистій (ПД) сталях (А. П. Гуляєв).

зерном. Природно-дрібнозернисті сталі не бояться високих температур, вони не схильні до перегріву, і при їх обробці немає небезпеки сильного росту зерна. При виборі сталі для відповідальних зварних конструкцій цей фактор є особливо важливим. Як правило, всі марки спокійних сталей - природно-дрібнозернисті, а киплячих сталей - 11 риродно-крупнозернисті. ¹⁰

Для виявлення меж зерен аустеніту існує багато методик, які описані в ГОСТ 5639-82. їх вибір залежить від марки сталі і термічної обробки.' Після зварювання контроль величини зерна в зоні термічного впливу і в металі шва можна проводити кількома способами:

1. якщо сталь низьковуглецева, і структура представляє в основному ферит з невеликою кількістю перліту або бейніту, то визначають розміри феритних зерен;

2. якщо сталь середньовуглецева, то розмір зерна визначається за феритною сіткою, що виділяється навколо зерен перліту або бейніту;

3. якщо в зоні термічного впливу утворилась мартенситна структура, то для виявлення меж зерен існують способи хімічного травлення. Один зі способів травлення - травлення мікрошліфів у перенасиченому водному розчині пікринової кислоти з додаванням 1-2% ПАР (поверхнево-активної речовини), якою може бути сульфонол.

Для оцінки величини зерна на металографічному мікроскопі вивчають зеренну структуру металу при збільшенні в 100 разів (хІОО) і порівнюють її зі шкалою еталонів ГОСТ 5639-82, за допомогою якої визначають бал зерна.

Еталони шкали балів зерна підібрані таким чином, що при збільшенні (х 100) величина зерна, зображеного на еталоні, відповідає /У-номеру бала зерна, який є показником ступеня у рівнянні:

п= 8-2",

де п - кількість зерен на 1мм² площі шліфа;

N - номер зерна (бала) даного еталона.

Всього в залежності від величини зерна існує 18 балів — від "-3" до 14. Чим вище бал, тим менше розмір зерен. Так зерно, відповідаюче балу "-3", має середній діаметр <і_сер~ 1,0 мм, а зерно, відповідаюче балу 6, має сІ_сер~0,045мм.

Якщо зерно аустеніту даної сталі після металографічної проби (нагрів до 930- 950°С) відповідає 6-10 балам, то вона відноситься до групи природно-дрібнозернистих сталей.

Коли після нагрівання сталі до температури 930- 950°С виявлено, що зерно аустеніту виросло і відповідає 1-3 балам, то така сталь відноситься до природно-крупнозернистих.

•Для оцінки розмірів зерна у наукових дослідженнях впроваджують методи кількісної металографії, описані як в ГОСТ 5639-82, гак і в спеціальній літературі. Найбільш поширені з них: 1) метод підрахунку на мікрофотографіях або матовому склі мікроскопа кількості рівноосних зерен, які приходяться на одиницю поверхні шліфа (1мм²); 2) метод вимірювання середнього умовного діаметру зерна або кількості зерен в 1мм³ (метод січної).