2802.Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов

1.5. Бейнитное превращение аустенита

Бейнитное превращение углеродистых сталей по температурной шкале располагается между высокотемпературным диффузионным распадом аустенита на перлит, сорбит и троостит, протекающим при температуре выше 500 °С, и низкотемпературной бездифузионной трансформацией аустенита в мартенсит, наблюдаемой при температуре ниже 250 °С (см. рис. 1.10). По этой причине такое превращение в литературе обозначается как промежуточное, протекающее в температурном интервале 250–500 °С. Структуры, которые получаются при бейнитном превращении, очень сложные и состоят из бейнитного феррита, карбидов и остаточного аустенита. Но, сочетаясь между собой определенным образом, они могут обеспечить комплекс свойств, к которым в последнее время проявляют все больший интерес. По своему характеру бейнитное превращение, с одной стороны, имеет черты диффузионного распада на аустенит и феррито-цементитную смесь, но с другой стороны, черты бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит.

Вчем состоит это сходство иразница?

1.Бейнитное превращение аналогично мартенситному сопровождается образованием на полированной металлической поверхности специфического рельефа, который свидетельствует о процессах перемещения по определенным кристаллографическим плоскостям при образовании бейнитного феррита. Таким образом сохраняется соответствующая когерентность между кристаллическими решетками феррита и аустенита.

2.Бейнитное превращение, так же как и мартенситное, не продолжается до полного исчерпания аустенита, и в структуре всегда сохраняется определенное количество остаточного аустенита.

3.В отличие от мартенситного превращения при бейнитном кристаллическая масса увеличивается не только за счет образования новых кристаллов, но и благодаря росту уже образовавшихся кристаллов – процесс, характерный для перлитного превращения.

4.Бейнитное превращение аналогично диффузионному распаду аустенита, начинается после инкубационного периода, но в отличие от него максимальная скорость превращения характерна для начальных этапов образования бейнита.

51

Для углеродистых сталей температурные области диффузионного распада аустенита и промежуточного бейнитного превращения пересекаются (см. рис. 1.10). Если легирование выбрано правильно и содержание легирующих элементов достаточно, то интервалы этих двух превращений на температурной шкале могут разделяться. Такой пример представлен на рис. 1.39. По аналогии с мартенситным превращением температура начала бейнитного превращения обозначается как точка Бн. С увеличением содержания углерода и азота точка Бн резко снижается. Легирующие элементы, за исключением кобальта, увеличивают инкубационный период и снижают скорость превращения. В этом отношении по силе своего влияния на инкубационный период легирующие элементы могут составить следующий ряд: Mn → Cr → Ni → Si. Бейнитный феррит представляет собой слабо пересыщенный углеродом твердый раствор, в результате чего кристаллическая решетка приобретает определенную тетрагональность. С понижением температуры превращения концентрация углерода в феррите увеличивается. Бейнитный феррит характеризуется высокой плотностью дислокаций. При бейнитном превращении, кроме образования бейнитного феррита, выделяются карбиды, при этом как в феррите, так и в аустените. Процессы карбидообразования сильно зависят от легирования стали. Так, например, кремний и алюминий сильно задерживают выделение карбидов. В процессе бейнитного превращения углерод выходит из ферритной составляющей и концентрируется в аустените, что приводит к снижению его мартенситной точки Мн. Если эта точка понижается ниже комнатной температуры, то аустенит сохраняется. В случае когда точка Мн остается выше комнатной температуры, этот аустенит частично претерпевает мартенситное превращение. В легированных сталях остаточный аустенит может составлять 20–40 %.

В зависимости от температурных интервалов, при которых образуются бейнитные структуры, обыкновенно рассматривают два вида бейнита (см. рис. 1.10): верхний, образовавшийся при высоких температурах, и нижний, образовавшийся при низких температурах. Ферритные кристаллы верхнего бейнита представляют собой достаточно крупные пластины с неровной поверхностью (рис. 1.40). Частицы цементита расположены по границам бейнитного феррита. В сталях с низким содержанием углерода цементит находится в виде изолированных частиц.

52

При большем содержании углерода образуются продолговатые цементитные нити. Остаточный аустенит присутствует в виде крупных участков неправильной формы. В нижнем бейните (рис. 1.41) ферритные кристаллы по своему строению близки ферритным кристаллам мартенсита и в низко- и среднеуглеродистых сталях имеют характерную реечную форму, объединяясь в пакеты. Бейнитный феррит в нижнем бейните имеет меньшие размеры и более высокую плотность дислокаций по сравнению с ферритом в верхнем бейните.

Рис. 1.39. Диаграмма изотермического превращения аустенита в стали с 0,5 % углерода и 3,0 % хрома (Р.И. Энтин)

Рис. 1.40. Структура верхнего бейнита стали 30ХГНМ, ×45 000 [4]: а – светлопольное изображение; б – темнопольное изображение

53

Рис. 1.41. Структура нижнего бейнита в стали 30ХС, ×30.000 [4]:

а– светлопольное изображение; б – темнопольное изображение

Всталях, легированных кремнием и алюминием, в процессе бейнитного превращения образуется так называемый бескарбидный бейнит, который состоит из бейнитного феррита и аустенита. В этой структуре углерод аккумулируется главным образом в аустените. Так, например, в стали 38ХС в результате бейнитного превращения в интервале 300–425 °С в остаточном аустените содержится 1,2–1,4 % С. Бейнит имеет высокую прочность, которая обусловлена следующими обстоятельствами:

– малые размеры ферритной фазы;

– высокая плотность дислокаций внутри феррита;

– деформация решетки углеродными атомами;

– образование в решетке феррита пересыщенного раствора;

– образование атмосфер Коттрелла;

– наличие карбидных частиц.

Вцелом верхний бейнит обладает низкими пластическими свойствами и в связи с этим малой трещиностойкостью. С точки зрения комплекса механических свойств значительный интерес представляет нижний бейнит, который при достаточно высокой прочности может обеспечить и более высокую пластичность, и соответственно более высокую трещиностойкость. Такой комплекс свойств обеспечивается отсутствием грубых карбидных частиц. В случае когда карбидные частицы в структуре полностью отсутствуют, образуется упомянутый выше бескарбидный бейнит, при которым значительное количество

54

аустенита (10–30 %) располагается в виде непрерывных прослоек около феррита, образуя таким образом достаточно прочный и вязкий специфический слоеный «сэндвич», состоящий из чередующихся ферритных и аустенитных кристаллов. Бейнитный феррит является носителем высокой прочности, а остаточный аустенит со своей хорошей пластичностью при развитии трещины играет роль амортизирующего фактора, способствующего протеканию релаксационных процессов перед фронтом трещины, благодаря чему реализуется высокая трещиностойкость. Для получения этого типа структуры, как уже было отмечено, целесообразно, чтобы сталь была легирована кремнием и алюминием при содержании углерода менее 0,4%.

Использование бейнитных сталей находит все более широкое применение в металлических конструкциях. Любознательный читатель может найти много полезных сведений как общего характера [21], так и в связи с использованием сплавов с бейнитной структурой для ряда исключительно ответственных стальных изделий, какими являются, например, железнодорожные рельсы [22–25] и магистральные трубопроводы [26].

1.6. Закалка из межкритического температурного интервала

Традиционно доэвтектоидные стали закаливают от температуры, превышающей на 30–50 °С линию GS (рис. 1.42). При этих условиях структура стали до ее охлаждения состоит только из аустенита. В последнее время, однако, проявляется определенный интерес к закалке от температуры, находящейся в межкритическом температурном интервале Tì ê (область GPS), в котором железоуглеродистые

сплавы, например сплав А1, имеют две фазы – аустенит и феррит.

Вэтом случае после закалки стали аустенит превращается в мартенсит и в конечном счете получается феррито-мартенситная структура.

Всвязи с изложенными обстоятельствами эти стали получили название ферритомартенситных. Очевидно, в зависимости от химиче-

ского состава стали и выбора температуры закалки Tì ê получатся

различные структурные комбинации и соответствующие свойства. Эти вопросы более подробно рассмотрены в п. 3.13.

55

Рис. 1.42. Схема проведения закалки из межкритической области (аустенит + феррит) при температуре Tì ê

1.7. Влияние различных факторов на распад аустенита

1.7.1. Влияние скорости охлаждения

Превращение аустенита ниже точки Ar1 в процессе термической обработки чаще всего производится при определенных скоростях охлаждения, а не в изотермических условиях. На рис. 1.43 на фоне соответствующей диаграммы изотермического превращения эвтектоидной стали представлены графики при пяти различных скоростях

(v1 < v2 < v3 < v4 < v5) охлаждения [4].

При малой скорости охлаждения v1 превращение аустенита происходит при относительно небольшом переохлаждении и получается грубопластинчатый перлит. При бóльших скоростях охлаждения формируются более дисперсные ферритокарбидные смеси, такие как сорбит при скорости v2 и троостит при скорости v3. При скорости охлаждения v4 диффузионное превращение аустенита не протекает до конца и часть его переохлаждается до температурного интервала промежуточного превращения, в котором образуется бейнит, но про-

56

цесс здесь не заканчивается и при переходе к мартенситной точке Мн начинает образовываться и мартенсит. При скорости охлаждения v5 диффузионное превращение не протекает и аустенит превращается в мартенсит. Минимальная скорость охлаждения, при которой не весь аустенит претерпевает диффузионный распад, называется нижней критической скоростью закалки и на рис. 1.43 обозначается как vнкз. Минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит целиком претерпевает бездиффузионное мартенситное превращение, на-

зывается верхней критической скоростью закалки и на рассматри-

ваемой схеме обозначается как vвкз.

Рис. 1.43. Схема, совмещающая диаграмму изотермического распада аустенита с некоторыми характерными скоростями (v) охлаждения

Наглядной иллюстрацией влияния скорости охлаждения на превращение аустенита и количество структур являются предложенные А.А. Поповым диаграммы (рис. 1.44 и 1.45). На рис. 1.44 рассматриваются превращения в одной эвтектоидной стали. В этом случае условно принято, что при температурах выше мартенситной

57

точки Мн реализуется только диффузионный распад аустенита. При скоростях, меньших нижней критической скорости закалки vнкз, аустенит распадается только на эвтектоидную смесь (перлит). При v > vнкз начинается образование мартенсита, а полученная структура включает перлит, мартенсит и остаточный аустенит. Обозначим критическую скорость, при которой полностью прекращается образование перлита, vп. В таком случае при v > vп после распада аустенита структура будет включать только мартенсит и остаточный аустенит.

Рис. 1.44. Схема влияния скорости охлаждения на температурные интервалы превращения (а) и количество структурных составляющих (б) для эвтектоидной стали: 1 – начало превращения; 2 – конец превращения; 3 – остановка превращения; vнкз – нижняя критическая скорость закалки; vвкз – верхняя критическая скорость закалки; vп – критическая скорость закалки,

при которой полностью прекращается образование перлита

58

Рис. 1.45. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита и схема влияния скорости охлаждения на температуру превращения и количество структурных составляющих: 1 – температурный интервал перлитного превращения; 2 – температурный интервал промежуточного бейнитного превращения; vнкз – нижняя критическая скорость закалки; vвкз – верхняя критическая скорость закалки; vп – критическая скорость закалки, при кото-

рой полностью прекращается образование немартенситных продуктов

Особый интерес, как уже было отмечено, представляют стали, в которых в процессе распада аустенита образуются бейнитные структуры. Такая схема представлена на рис. 1. 45. Критическая скорость охлаждения, при которой полностью прекращается образование бейнитной структуры, обозначена как vб. В данном случае vб = vвкз.

59

1.7.2. Влияние легирующих элементов

Легирующие элементы, естественно, влияют на процессы, протекающие при распаде аустенита. На рис. 1.46 показано влияние некоторых из них на мартенситную точку Мн. Хорошо видно, что аналогично углероду большинство легирующих элементов снижают

Рис. 1.46. Влияние легирующих элементов на положение мартенситной точки Мн для стали с 1 % углерода (В.Д. Садовский)

температуру Мн и благоприятствуют образованию пластинчатого мартенсита, который в легированных сталях начинает появляться и при более низком содержании углерода (0,3–0,4 %).

1.7.3. Влияние режима охлаждения

На характер мартенситного превращения значительное влияние оказывает и сам режим охлаждения. Так, например (рис. 1.47), если в интервале Мн – Мк на некоторое время прекратить охлаждение при данной температуре Тп, то при последующем охлаждении до точки Мк мартенсит начинает образовываться не сразу, а после известного

60