5.3. Превращения в стали при охлаждении

5.3.1. Перлитное превращение аустенита

В пункте 3.1.4. рассматривались фазовые превращения в стали при медленном охлаждении из аустенитного состояния. Повышая скорость охлаждения, т. е. увеличивая степень переохлаждения, можно изменить механизм и кинетику превращения аустенита и соответственно структуру и свойства продуктов распада.

Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяются на перлитное, промежуточное и мартенситное.

Кинетику распада удобнее всего рассматривать при изотермических условиях по диаграммам изотермического распада аустенита (рис. 67).

Диаграммы строятся на основе экспериментальных данных в координатах температура – время (по логарифмической шкале). Образцы, нагретые до аустенитного состояния, быстро переносятся в ванны, имеющие температуры ниже равновесной и выдерживаются до полного превращения. При этом фиксируются изменения какого-нибудь свойства (например, аустенит парамагнитен, а продукты распада аустенита ферромагнитны), тем самым, определяя время начала и конца превращений. Соединяя точки, соответствующие началу (а₁, а₂…а_n) и концу (в₁, в₂…в_n) превращений получают две С-образные кривые, разделяющие диаграмму на три области:

– область, находящаяся левее С-образных кривых, соответствует переохлажденному аустениту;

– область, расположенная между кривыми – область, в которой происходят превращения;

– область, лежащая правее С-образных кривых, соответствует продуктам распада аустенита.

Рис. 67. Схема диаграммы изотермического распада аустенита эвтектоидной стали

Горизонтальными линиями отмечаются области, соответствующие устойчивому аустениту и образования мартенсита. Линия М_н соответствует температуре начала образования мартенсита, а М_к – конца образования.

Превращение аустенита при температурах в интервале А_r1…550 С называется перлитным, а в интервале 550 С…М_н – промежуточным.

При перлитном превращении в результате распада аустенита образуются пластинчатые структуры перлитного типа, строение которых зависит от температур превращения.

Если превращение происходит при температурах чуть ниже А_r1 (при малых степенях переохлаждения), образуется сравнительно грубая смесь пластинок феррита и цементита с межпластиночным расстоянием l = 0,6…1 мкм. Такая смесь называется собственно пластинчатым перлитом. При увеличении степени переохлаждения, когда превращение совершается при 640…590 С, возникает феррито-перлитная смесь с межпластинчатым расстоянием 0,25…0,3 мкм. Такая структура называется сорбитом [от имени англ. ученого Г.К. Сорби (Н.С. Sorby)]. При степени переохлаждении 150…180 С межпластинчатое расстояние уменьшается до 0,1…0,15 мкм. Такая структура называется трооститом [от имени франц. ученого Л.Ж. Труста (L.-J. Troost)].

При увеличении дисперсности феррито-цементитной смеси повышаются прочность и твердость стали, но уменьшается вязкость. Наилучшую пластичность и вязкость имеет структура сорбита.

5.3.2. Мартенситное превращение

Область образования мартенсита на диаграмме изотермического распада аустенита показана условно, так как не только в эвтектоидной, но и в подавляющем большинстве сталей мартенситного превращения в изотермических условиях не происходит. Оно протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур М_н…М_к. В случае любой изотермической выдержки в этом интервале температур превращение реализуется не до конца, что приводит к наличию в структуре остаточного аустенита, т. е. происходит его стабилизация.

Характерной особенностью мартенситного превращения является его бездиффузионный характер. При большой степени переохлаждения углерод не успевает диффундировать из решетки аустенита и образовать частицы цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. Однако поли­морфное превращение Fe_Fe_ протекает, и углерод остается в решетке -железа в большом коли­честве. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. Такое перена­сыщение вызывает изменение объемно­цент­ри­ро­ванной куби­ческой решетки в тетрагональную, элементарной ячейкой которой является прямоугольный пара­ллепипед (рис. 68). Атомы углерода в такой ячейке располагаются или в междоузлиях, или в середине удлиненных ребер, или в центре основания.

И

Рис. 68. Кристаллическая ячейка мартенсита: – атомы железа; – атом углерода

нтервал температур образования мартенсита зависит от химического состава аустенита. С по­вы­шением в нем содержания углерода линии М_н и М_к понижаются. При содержании углерода более 0,6 % мартенситное превращение заканчивается при температурах ниже 0 °С. Поэтому, для того чтобы в высокоуглеродистых сталях получить большее количество мартенсита, их необходимо охлаждать до минусовых температур. Существенное влияние на линии М_н и М_к оказывают легирующие элементы.

Аустенитно-мартенситное превращение сопровождается увеличением объема, что вызывает значительные напряжения по границам мартенсита и остаточного аустенита.

Мартенсит из аустенита образуется в виде пластин, обнаружить которые в плоскости исследуемого шлифа затруднительно. Поэтому обычно в зависимости от угла сечения пластин плоскостью шлифа они под микроскопом наблюдаются в виде игл различной толщины (рис. 69).

Пластинки мартенсита образуются со скоростью ~5000 м/с в пределах аустенитных зерен не переходя их границы. Поэтому размеры игл зависят от размеров зерен аустенита. Чем мельче зерна аустенита, тем мельче иглы мартенсита и наоборот. В связи с этим различают мартенсит мелкоигольчатый и крупноигольчатый. В случаях наличия очень мелких игл (не различимых под микроскопом при обычно применяемых увеличениях –  500…600), мартенсит называют бесструктурным. Такая структура характерна для правильно закаленной стали.

Д

Рис. 69. Микроструктура мар­тен­­сита, ×500

ля получения мартенситной структуры аустенит углеродистых сталей необходимо охлаждать очень быстро и непрерывно, что­бы подавить возможные диффузионные про­цес­сы и образование перлитных структур. При непрерывном охлаждении время устой­чи­вос­ти аустенита в 1,5 раза больше, чем при изотермическом превращении. Следо­ва­тель­но, наложение кривых охлаж­дения на диаграмму изотермического распада аустенита дает лишь качественную характеристику превращений при непрерывном охлаждении. Поэтому для получения объективной картины превращений аустенита при непрерывном охлаждении необходимо пользоваться термокинетическими диаграммами (рис. 70), которые строятся в тех же координатах, что и диаграммы изотермических превращений.

П

Рис. 70. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита (штриховые линии) и термокинетическая диаграмма (сплошные линии) эвтектоидной стали

ри определенных скоростях охлаждения (например V₃) начав­шееся превращение аустенита в троостит приостанавливается и при дальнейшем охлаждении нераспав­шийся аустенит ниже линии M_н превращается в мартенсит.

Экспериментально построенные термокинетические диаграм­мы дают возможность определить критическую скорость закалки V_КР, при которой аустенит превращается только в мартенсит. Термокинетические диаграм­мы име­ют важнейшее значение для технологии термической обработ­ки, так как дают возможность прогнозировать виды фазовых прев­ра­ще­ний и возможные структуры сталей в зависимости от скорости ее охлаждения, что непосредственно связано с физико-механическими и эксплуатационными свойствами обрабатываемых изделий.