Отжиг сталей

Сл.2. Отжиг сталей (отжиг 2-го рода) – это термическая обработка, при которой главными процессами являются аустенитизация с последующим перлитным превращением.

ОБРАЗОВАНИЕ АУСТЕНИТА ПРИ НАГРЕВЕ

1. Механизм и кинетика аустенитизации

Перед образованием аустенита исходной структурой чаще всего является смесь α-фазы (о.ц.к.) и карбида. В углеродистых сталях аустенит при температуре несколько выше точки А₁ содержит около 0,8% С, в то время как феррит в исходной структуре содержит сотые доли процента углерода (рис. 69). Как же возникает участок γ-фазы с г.ц.к. решеткой и сравнительно высоким содержанием углерода в таких условиях?

Рис. 69. Диаграмма состояния Fe - C

Здесь нужно учесть, что механизм α  γ перестройки на стадии образования зародышей γ-фазы – сдвиговой. Об этом свидетельствуют игольчатая (точнее, пластинчатая) форма первых участков γ-фазы, появление рельефа на полированной поверхности шлифа.

При малой толщине плоского зародыша, образование которого связано с удвоением площади границ, выигрыш в объемной свободной энергии достаточен для развития превращения лишь в том случае, если новая граница когерентная (имеет низкую энергию). Такая граница характерна именно для сдвигового превращения.

В образовавшиеся по сдвиговому механизму первые участки γ-фазы из карбида диффузионным путем поступает углерод, и тогда такие участки становятся устойчивыми центрами роста аустенита при температурах выше A₁. По мере роста зародышей их граница из когерентной становится некогерентной и сдвиговый механизм сменяется нормальным механизмом роста аустенитных зерен. При этом игольчатость зародышей γ-фазы исчезает и из них формируются обычные равноосные зерна.

Картина роста сформировавшихся зерен аустенита достаточно ясна.

Сл.3. Рассмотрим изотермическое перлито-аустенитное превращение при температуре Т₁ на рис. 70.

Рис. 70. Участок диаграммы состояния Fe–С (а) и схема распределения концентрации углерода в аустените во время перлито-аустенитного превращения при температуре (б)

При этой температуре в соответствии с диаграммой состояния на границе с ферритом равновесная концентрация аустенита должна изображаться точкой а и на границе с цементитом – точкой b. Внутри аустенитного зерна устанавливается градиент концентраций ab (рис. 70, б). На границе аустенита с цементитом имеется большой скачок концентрации углерода bК, а на границе с ферритом – меньший скачок оа (на схеме концентрация углерода в феррите принята равной нулю).

Скорость изотермического роста аустенитного зерна контролируется диффузией углерода от границы А/Ц к границе А/Ф, выравнивающая диффузия понижает концентрацию углерода в аустените на границе А/Ц, сдвигая состав аустенита влево от точки b на рис. 70, а. Аустенит при этом становится ненасыщенным по отношению к цементиту, который растворяется, восстанавливая равновесную концентрацию точки b. На границе с ферритом выравнивающая диффузия повышает концентрацию углерода в аустените, сдвигая ее вправо от точки а на рис. 70, а. Аустенит при этом становится ненасыщенным по отношению к ферриту, который растворяется в аустените, повышая в нем концентрацию железа до равновесного состава точки а. Таким образом, аустенитное зерно разрастается в сторону и феррита, и цементита.

Скорость роста аустенитного зерна в сторону феррита намного больше, чем в сторону цементита. В результате к моменту исчезновения ферритных промежутков перлита всегда остается не полностью растворившийся цементит.

Собственно перлито-аустенитное превращение заканчивается с исчезновением ферритных промежутков. Затем продолжается растворение остатков цементита. По окончании его растворения аустенит неоднороден по концентрации углерода. В тех местах, где ранее находился цементит, концентрация углерода в γ-растворе повышена. Для выравнивания состава аустенита требуется дополнительное время после окончания фазового превращения.

Сл.4. Если в исходной структуре находится свободный, избыточный феррит, то граница аустенитного зерна продвигается и в его сторону. Но размер зерен свободного феррита на один-два порядка больше толщины ферритных промежутков в перлите. Поэтому время исчезновения свободного феррита превышает время исчезновения остатков перлита. После исчезновения свободного феррита на месте его зерен концентрация углерода в аустените понижена и идет процесс выравнивания состава внутри аустенитных зерен.

Кинетика образования аустенита изображается диаграммой изотермических превращений (рис. 71).

Рис. 71. Схема диаграммы изотермического образования аустенита в доэвтектоидной стали:

1 – исчезновение ферритных промежутков в перлите; 2 – исчезновение цементита; 3 – окончание гомогенизации аустенита на месте исчезнувших колоний перлита; 4 – исчезновение свободного феррита; 4' – прекращение перехода свободного феррита в аустенит ниже температуры А₃, 5 – окончание гомогенизации аустенита

Перлитно-аустенитное превращение начинается сразу же после перехода через температуру равновесия фаз, т. е. линия начала превращения практически сливается с горизонталью при температуре трехфазного равновесия (727° С). Это связано с легкостью зарождения аустенита на феррито-карбидной границе при αγ перестройке.

Температуры окончания образования аустенита и его гомогенизации повышаются с ростом скорости нагрева (см. точки пересечения кривых нагрева v₁ и v₂ с линиями диаграммы на рис. 71).

Сл.5. С увеличением дисперсности исходной структуры время окончания всех этапов аустенитизации уменьшается. Этому способствует увеличение градиента концентраций углерода в аустените, так как та же максимальная разность концентраций приходится на меньшую длину.

В углеродистых сталях образование и гомогенизация аустенита протекают быстро.

Гомогенизация аустенита идет гораздо дольше в легированных сталях. Легирующие элементы неравномерно распределены между ферритом и карбидом. Некарбидообразующие элементы находятся в феррите, а карбидообразующие – преимущественно в карбиде. По окончании перлито-аустенитного превращения аустенит неоднороден. В участках аустенита, соответствующих исчезнувшим частицам феррита и карбида, различна не только концентрация углерода, но и легирующих элементов.