5.2. Превращения в стали при нагреве

В соответствии с диаграммой Fe-Fe₃C при нагреве эвтектоидной стали перлит превращается в аустенит при температуре 727 С (критическая точка А_с1). Однако в реальных условиях такое превращение при отмеченной температуре происходить не может, так как в данном случае имеет место равенство свободных энергий Е перлита и аустенита, т. е. температура А_с1 является равновесной (рис. 65). Следовательно, для превращения перлита в аустенит температура нагрева должна быть обязательно немного выше 727 С, а для превращения аустенита в перлит – немного ниже. Другими словами должны иметь место перенагрев (в первом случае) и переохлаждение – во втором. От этих параметров во многом зависит величина зерна, а соответственно и свойства продуктов превращений.

П

Рис. 65. Изменение свободных энергий аустенита и перлита

ревращение перлита в аустенит при нагреве эвтектоидной стали проис­ходит следующим образом. В исходном состоянии сталь состоит из смеси фаз феррита и цементита (рис. 66, а). При нагреве до температуры чуть выше критической точки А_с1 по границам ферритной и цементитной фаз начинается превращение Fe_Fe_. В связи с тем, что объемы решеток Fe_ больше, чем у Fe_ в них диффундирует углерод цементита и образуются зерна аустенита (рис. 66 б, в, г). Полиморфное превращение  идет с более высокой скоростью, чем растворение цементита. Поэтому образовавшийся аустенит имеет неоднородность по углероду, которая устраняется при дальнейшем повышении темпе­ра­туры или дополнительной выдержке.

Рис. 66. Схема образования аустенита эвтектоидной стали

На скорость превращения перлита в аустенит влияют температура превращения, скорость нагрева, форма цементита (пластинчатая или зернистая), химический состав стали и др. Поскольку в каждой перлитной области образуется несколько центров кристаллизации аустенита, превращение сопровождается измельчением зерна, что широко используется в практике термической обработки стали.

В доэвтектоидных сталях при нагреве от А_с1 до А_с3 происходит превращение избыточного феррита в аустенит, а в заэвтектоидных (при нагреве от А_с1 до А_ст ) – растворение избыточного цементита в аустените.

При повышении температуры нагрева в однофазной аустенитной области или длительной выдержке происходит рост зерна. По склонности к росту зерна стали подразделяются на наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые. К наследственно мелкозернистым относятся стали, раскисленные в процессе производства алюминием, который образует устойчивые мелкодисперсные частицы AlN. Последние располагаются по границам зерен, препятствуя их росту.

В заэвтектоидных сталях росту зерна могут препятствовать нерастворившиеся карбидные частицы, а у доэвтектоидных – участки феррита в интервале температур А_с1-А_с3. Карбидообразующие элементы также замедляют рост зерна аустенита. Наибольший эффект наблюдается при наличии труднорастворимых карбидов титана, вольфрама, молибдена, циркония, ниобия и др.

Стали, раскисленные в процессе выплавки кремнием и марганцем, являются наследственно крупнозернистыми. С повышением температуры у них происходит непрерывный рост зерна.

Величина действительного зерна практически не оказывает влияния на твердость и свойства, определяемые при испытаниях на статическое растяжение. Рост зерна резко снижает ударную вязкость и повышает порог хладноломкости. Крупнозернистые стали более склонны к закалочным трещинам, деформации, короблению.

Стали, имеющие крупнозернистую структуру по причине нагрева до высоких температур, называются перегретыми и исправляются повторной аустенизацией с нагревом до более низких температур.