Запитання для самоперевірки

1. Які перетворення виникають під час нагрівання сталей вище критичних точок Асі і Ас₃?

2. За якими ознаками сталі розподіляються на природно- дрібнозернисті і природно-крупнозернисті?

3. На які механічні властивості дуже впливає розмір зерна сталі?

5. Якими методами виявляється і визначається аустенітне зерно сталей?

Глава 3. Перетворення в сталі під час повільного охолодження (перетворення аустеніту в перліт)

Основне перетворення, яке відбувається в сталях під час повільного охолодження із аустенітного стану - це евтектоїдний розпад аустеніту на суміш фериту і цементиту:

перліт

Ре_т(С)о,8% С ——-> РЄа(С)о,02% С + РЄзСб,67% С

При температурі А,-121°С перетворення практично не завершується, бо при цій температурі, яка називається рівноважною, вільні енергії вихідного аустеніту і кінцевого перліту рівні. Перетворення може відбутись лише при декотрому переохолодженні, коли вільна енергія перліту стає меншою, ніж вільна енергія аустеніту. 1 Іри перлітному перетворенні утворюються фази, які різко відрізняються за складом від похідної: ферит - з дуже малим

вмістом вуглецю і цементит, який містить 6,67%С. Тому цей процес повинен супроводжуватись дифузійним розподіленням вуглецю.

Швидкість дифузії різко зменшується з пониженням температури, що повинно уповільнювати перетворення. Але, з іншого боку, зниження температури (збільшення переохолодження) збільшує різницю ВІЛЬНИХ енергій аустеніту І перліту (АР= Рл-Рп), ЩО повинно прискорювати перетворення. Сумарна дія обох факторів (рис. 168) приводить до того,-що спочатку із збільшенням швидкості охолодження швидкість перетворення (п) зростає, досягає при якомусь

з

Швидкість дифузії (О)

Різниця вільних енергій (АР)

Рис. 168. Швидкість розпаду аустеніту (о) в залежності від ступеня переохолодження (температури): Б - швидкість дифузії; ДР - різниця вільних енергій.

наченні переохолодження максимуму, а потім спадає. При 727°С швидкість перетворення А—+П дорівнюється нулю через рівність вільних енергій, а при температурах приблизно 200°С швидкість перетворення А—*П наближується до нуля через дуже малу дифузію вуглецю. Кінетика евтектоїдного перетворення зображується С-образними кривими на діаграмі ізотермічного перетворення аустеніту. На рис. 169 зображена така діаграма для евтектоїдної сталі з 0,8 %С. Стійкість переохолодженого аустеніту характеризується інкубаційним періодом, тобто відрізком часу (від осі ординат до лівої С-кривої), в продовженні якого звичайні методи не фіксують появлення продуктів розпаду. При температурах приблизно 550°С переохолоджений аустеніт найменш стійкий. При малих і значних переохолодженнях перетворення йде повільніше. Діаграма ізотермічного розпаду аустеніту має криву початку перетворення і криву кінця перетворення. Крива початку перетворення в залежності від ступеня переохолодження показує той відрізок часу ізотермічної видержки, на протязі якого перетворення практично відсутнє. Друга крива показує час, на протязі якого при даній температурі переохолодження аустеніт повністю перетворюється в перлітну структуру.

Рис 169. Діаграма ізотермічного розпаду аустеніту евтектоїдної сталі (0,8% С): А_п - переохолоджений аустеніт; Ф - ферит; К - карбід (цементит - Ре₃С).

Слід зазначити, що по горизонтальній осі використовується логарифмічна шкала. Це зроблено для того, щоб зображення діаграми було зручним, бо швидкості утворення перліту дуже відрізняються в залежності від температури ізотермічної видержки. Так, в районі найменшої стійкості аустеніту (~550°С) перетворення відбувається за одну, дві секунди (для вуглецевих сталей), а при температурі, близькій до А\, воно може закінчитись через декілька десятків хвилин. *

Механізм утворення перліту складається з того, що в кожному зерні аустеніту перліт росте з окремих центрів у вигляді колоній (рис. 170). Зародком перлітної колонії може бути або цементит, або ферит. Частіше вважають, що ним є цементит. В гомогенному аустеніті цементитний зародок з'являється у збагаченій вуглецем ділянці флуктуаційного походження. Зародження вірогідніше на межі аустенітних зерен, де менша робота утворення критичного зародка. Потовщення цементитної пластини приводить до того, що існуючий біля неї аустеніт збіднюється вуглецем, і утворюються

умови для зародження шляхом поліморфного у—мх перетворення феритних пластин, межуючих з це- ментитними. При потовщенні феритної пластини, яка практично не містить вуглецю, останній витісняється в аустеніт, в результаті чого створюються приємні умови для появи нових цементитних пластин.

І

Рис 170. Схема зародження і росту перлітних колоній.

снує і друга точка зору, за якою при формуванні зародків виникають одночасно обидві фази, які поступово розвиваються в регулярну структуру з чергуванням колоній фериту і цементиту.

Міжпластинчаста відстань в перліті - важлива структурна характеристика, яка впливає на твердість і міцність сталей.

В евтектоїдній сталі після розпаду аустеніту при температурах від А і до приблизно 650°С міжпластинчаста відстань в колоніях фе- рито-цементитної суміші відповідає 0,5-1 мкм. Пластинки цементиту добре розрізняються при середніх збільшеннях мікроскопа. Така евтектоїдна структура зветься перлітом (рис. 171а). Після розпаду аустеніту в інтервалі температур приблизно 650-600°С міжпластинчаста відстань складає 0,4-0,2 мкм; двофазна будова колоній виявляється лише при великих збільшеннях світлового мікроскопа (гранична дозволяюча відстань світлового мікроскопа - 0,2 мкм). Такий евтектоїд називається сорбітом (рис. 1716). Розпад аустеніту в інтервалі температур 600-500°С дає тонку евтектоїдну суміш з міжпластинчастою відстанню біля 0,1 мкм. Такий евтектоїд називають трооститом. Його двофазна пластинчаста будова виявляється тільки при вивченні на електронному мікроскопі (рис. 171в,г).

Під час безперервного охолодження вказані структури утворюються в евтектоїдній вуглецевій сталі в слідуючих умовах: перліт - при охолодженні сталі із аустенітного стану в печі зі швидкістю декілька градусів за хвилину; сорбіт - при охолодженні на повітрі зі швидкістю декілька десятків градусів за хвилину; троостит - при охолодженні в маслі зі швидкістю декілька десятків градусів за секунду.

Рис. 171. Структури, які представляють суміш фериту і цементиту: а) перліт пластинчастий, х 1000; б) сорбіт, х 1500; в) троостит у світловому мікроскопі, х 1500; г) троостит у електронному мікроскопі, х 5000.

Твердість НВ ферито- цементитних сумішей приблизно така: перліту - (1700-2300) МПа; сорбіту - (2300-3300) МПа; трооститу - (3300-4000) МПа.

Перлітне перетворення в евтектоїдній сталі відбувається в інтервалі температур нижче А\ до згину С - кривої (вище 500°С). Нижче 500°С в інтервалі 500-250°С утворюється голчаста структура, яка називається бейнітом. Перетворення аустеніту в б,<піт має ознаки, загальні з перлітним і мартенситним перетвореннями, і називається проміжним. Механізм цього перетворення описується в главі 4, після розгляду перетворення аустеніту в мартенсит.

В до- і заевтектоїдних сталях перед перлітним перетворенням йде виділення надлишкових фаз - фериту або вторинного цементиту. На діаграмах ізотермічних перетворень аустеніту відповідних сталей наносяться лінії початку утворення надлишкових фаз (рис. 172). Кількість виділених надлишкових фаз (фериту або цементиту) зменшується із зниженням температури, і при значному ступені переохолодження розпад починається безпосередньо з утворенням зародків евтектоїду, або, точніше, квазіевтектоїду, тобто структури

н

Твердість

НВ, МПа

1800-1920

2170-2480

2860-3210

3750-4290

4950-5440 50-55

0,1 1 10 100 1000 Є§т, с (час)

Рис. 172. Діаграма ізотермічного розпаду аустеніту для доевтектоїдної сталі (0,4 %С).

Рис. 173. Склад евтектоїду в залежності від ступеня переохолодження нижче рівноважної температури.

кс

10-15 20-25

30-35 40-45

евтектоідного типу, яка відрізняється тим, що в ній вуглецю менше (або більше), ніж 0,8% (рис. 173). Чим нижча температура перетворення, тим менше повинно виділитись надлишкового фериту (або цементиту), щоб почалося перлітне перетворення. При температурі виступу С-кривої і нижче розпад аустеніту починається без виділення надлишкових фаз.