книги из ГПНТБ / Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник

в практике термической обработки. Некоторые качественные вы­ воды при их анализе можно сделать по диаграмме изотермических превращений. Например, на рис. 84 кривая 1 указывает начало превращения переохлажденной p-фазы в изотермических усло­ виях. Кривые Vi и v2 относятся к двум режимам непрерывного ох­ лаждения. Если принять, что точки а,\ и а2 определяют начало превращения при непрерывном охлаждении, то рис. 84 наглядно показывает, что при более высокой скорости охлаждения v2 пре­ вращение начинается при большем переохлаждении (Т0— Г2> Г 0— ^i) •

Качественно этот вывод правилен. Количественно же нельзя определять начало превращения при непрерывном охлаждении по пересечению кривой охлаждения с С-кривой, построенной в изо­ термических условиях. Дело в том, что инкубационный период оа\ получен исследованием образца во время изотермической выдерж­ ки при температуре Т\. Нас же сейчас интересует образец, непре­ рывно охлаждающийся по режиму щ. Этот образец в инкубацион­ ный период находился при переменных температурах, которые были выше температуры Т\. Но при более высоких температурах превращение в инкубационном периоде протекает более медленно, чем при температуре Д. Следовательно, в непрерывно охлаж­ дающемся образце по достижении температуры Т\ степень пре­ вращения должна быть меньше, чем в образце, который то же самое время находился в изотермических условиях при темпера­ туре Т\. Поэтому в образце, непрерывно охлаждаемом по режиму v\, температура фиксируемого начала превращения должна ле­ жать ниже температуры Ти которая определяется точкой пересе­ чения кривой охлаждения и С-кривой, построенной в изотерми­ ческих условиях.

Для количественного анализа превращений, протекающих при непрерывном охлаждении, следует использовать диаграммы, ко­ торые получили название термокинетических.

Термокинетические диаграммы фазовых превращений строят,

используя непрерывное охлаждение образцов, температура кото­ рых в период охлаждения записывается, например, осциллогра­ фом. Можно измерять какую-либо характеристику образца в процессе его охлаждения (например, его длину при дилатометри­ ческом методе) и по отклонению этой характеристики от плавного изменения определять начало превращения.

Другой способ состоит в охлаждении по одинаковому режиму серии образцов, которые в разные моменты времени закаливают в воде, а затем исследуют их структуру или свойства, определяя поним начало и конец превращения (или определенную степень превращения) при одном режиме непрерывного охлаждения. На­ пример, точки Г\ и г2 указывают начало превращения при скорос­ тях охлаждения щ и v2 (рис. 84). Соответствующая кривая 2 на рис. 84 указывает начало превращения при непрерывном охлаж­ дении с разными скоростями. Эта кривая относится к термокине­ тической диаграмме, на которой можно аналогичным способом,

150

построить кривые конца превращений и кривые, соответствующие определенной степени превращения при непрерывном охлаждении

•с разной скоростью.

Расхождение в положении одинаковых по смыслу линий термо­ кинетической диаграммы и диаграммы изотермических превраще­ ний может быть весьма существенным, как в случае сталей, и не­ большим, как в случае дуралюминов. Заранее предсказать вели­ чину этого расхождения невозможно. Предложенные методы пере­ счета диаграмм изотермических превращений в термокинетичес­ кие дают слишком грубые оценки. Поэтому оптимально построение для промышленных сплавов диаграмм превращений двух типов, хотя термокинетические диаграммы строить трудно. Опыт исполь­ зования даже одних только диаграмм изотермических превраще­ ний показывает, что они позволяют более обоснованно разрабаты­ вать режимы термообработки и успешно анализировать причины брака. Научное же значение диаграмм изотермических превраще­ ний трудно переоценить.

Список, литературы

■Физическое металловедение. Под ред. Р. Кана. Вып. II, гл. V. М., «Мир», 1968

Г л а в а V

ОТЖИГ СТАЛЕЙ

§23. ОБРАЗОВАНИЕ АУСТЕНИТА ПРИ НАГРЕВАНИИ

1.Механизм и кинетика аустенитизации

Перед отжигом углеродистых сталей исходной структурой чаще всего является феррито-карбидная смесь. Из диаграммы состоя­ ния Fe — С (рис. 85) видно, что основное превращение при нагре­ вании— это переход перлита в аустенит при температурах выше точки А1 (727°С).

Переход перлита в аустенит, его кинетика подчиняются основ­ ным закономерностям фазовых превращений, протекающих при

нагревании.

Экспериментально установлено, что зародыши аустенита воз­ никают на границах феррита с цементитом. Начальные этапы фор­ мирования зародышей аустенита экспериментально не изучены и о них имеются лишь предположения. Превращение а0. ц.к. "Уг. ц. к. в чистом железе возможно только при температурах не ниже 911°С. Если же феррит находится в контакте с цементитом, то в соответ­

несколько выше точки А\ содержит около 0,8%С, в то время как феррит в стали содержит сотые доли процента углерода. Каким

151

Рис. 85. Диаграмма -состоянияРе — С

же образом возникает участок фазы с г. ц. к. решеткой и сравни­ тельно высоким содержанием углерода?

Большинство гипотез зарождения аустенита исходит из флуктуационных представлений, причем формально рассматриваются два крайних случая. Во-первых, можно представить, что базой для

как атомов углерода здесь очень мало. На границе феррита с це­ ментитом между фазами идет непрерывный обмен атомами (дина­ мическое равновесие) и <в приграничном слое феррита намного больше вероятность флуктуационного возникновения участков кри­ тического размера с концентрацией около 0,8%iC. Такие участки при любом самом малом перегреве выше точки А\ претерпевают полиморфное а— ^у-превращение твердого раствора и становятся устойчивыми центрами роста аустенитных зерен. Ниже точки A i подобные участки в феррите также могут возникать, но в устойчи­ вые центры роста аустенита они не превращаются, так как у-ре- шетка здесь термодинамически нестабильна.

152

Другое предположение состоит в том, что при зарождении аустенита первичны не флуктуации концентрации, а флуктуационная перестройка решетки. Внутри феррита участки с у р ешетк°й флуктуационного происхождения возникают и исчезают, а на границе с цементитом при температурах выше А\ в эти участки поступает углерод из карбида и если они имеют критический раз­ мер, то становятся устойчивыми центрами роста аустенита.

Возникновению аустенита на межфазной границе Ф/Ц способ­ ствует также уменьшенный здесь размер критического зародыша

новой фазы (см. § 20).

Картина роста сформировавшихся зародышей аустенита более ясна. Рассмотрим изотермическое перлито-аустенитное превраще­ ние при температуре Т\ на рис. 86. При этой температуре в соот­ ветствии с диаграммой состояния на границе с ферритом равно­ весная концентрация аустенита должна изображаться точкой а и

Р:Ис. 86. Участок диаграммы 'Состояния Fe — С (а) и схема распределения кон­ центрации углерода в аустените во время перлито-аустенитного превращения при температуре Т\ (б)

нице аустенита с цементитом имеется большой скачок концентра­ ции углерода ЬК., а на границе с ферритом — меньший скачок оа (на схеме концентрация углерода в феррите принята равной нулю).

Скорость изотермического роста аустенитного зерна контроли­ руется диффузией углерода от границы А/Ц к границе А/Ф, вы­ равнивающая диффузия понижает концентрацию углерода в аустените на границе А/Ц, сдвигая состав аустенита влево от точки b на рис. <86, а. Аустенит при этом становится ненасыщенным по отношению к цементиту, который растворяется, восстанавливая равновесную концентрацию точки Ь. На границе с ферритом вы­ равнивающая диффузия повышает концентрацию углерода в аус= тените, сдвигая ее вправо от точки а на рис. 86, а. Аустенит при

153

этом становится ненасыщенным по отношению к ферриту, который

концентрация элемента в приращенном объеме). Так как скачок концентраций на границе А/Ф примерно на порядок меньше, чем

Собственно перлито-аустенитное превращение заканчивается с ис­ чезновением ферритных промежутков. Затем продолжается раст­ ворение остатков цементита. По окончании его растворения аусте­ нит неоднороден по концентрации углерода. В тех местах, где ранее находился цементит, концентрация углерода в гаммарастворе повышена. Для выравнивания состава аустенита тре­ буется дополнительное время после окончания фазового превра­ щения.

Если в исходной структуре находится свободный, избыточный феррит, то граница аустенитного зерна продвигается и в его сто­ рону. Но размер зерен«свободного феррита на один-два порядка больше толщины ферритных промежутков в перлите. Поэтому время исчезновения свободного феррита превышает время исчез­ новения остатков перлита. После исчезновения свободного ферри­ та на месте его зерен концентрация углерода в аустените пони-

Рис. 87. Схема диаграммы изотермического образования аустенита в доэвте-

ктои-дной -стали (Й. Н. Кидин, М. А. Штремель):

1 — исчезновение ферритных промежутков в перлите; 2 — исчезновение цемен­

154

перлито-аустенитное превращение начинается сразу же после пе­ рехода через температуру равновесия фаз, т. е. линия начала превращения практически сливается с горизонталью при темпе­ ратуре трехфазного равновесия (727°>С). Это связано с легкостью зарождения аустенита на феррито-карбидной границе при а "у перестройке, рассмотренной выше. Здесь нет противоречий с об­ щей теорией фазовых переходов, так как принципиально фазовое превращение может развиваться при любой малой степени пере­ грева выше температуры равновесия. Известный пример практи­ чески нулевой степени перегрева при фазовом превращении —

плавление кристаллов.

В'ремя окончания разных этапов образования аустенита умень­

циально растет коэффициент диффузии и увеличивается перепад концентраций Сь— Са в соответствии с расхождением линий GS и SE на диаграмме состояния F e — С. Кроме того, с ростом темпе­ ратуры уменьшается скачок концентраций на границе А/Ф (укора­ чиваются коноды, соединяющие линии GP и GS), что также уско­

ряет рост аустенита за счет феррита.

При непрерывном нагревании температуры окончания образо­ вания аустенита и его гомогенизации повышаются с ростом ско­ рости нагревания (см. точки пересечения кривых нагревания vx и v2 с линиями диаграммы на рис. 87; ~0 \> v 2). Для получения коли­ чественных данных при непрерывном нагревании необходимо строить соответствующую термокинетическую диаграмму.

С увеличением дисперсности исходной структуры время окон­ чания всех этапов аустенитизации уменьшается. Этому способст­ вует не только уменьшение путей, которые должны пройти грани­ цы растущих аустенитных зерен, но и увеличение градиента кон­ центраций углерода в аустените, так как та же максимальная раз­ ность концентраций, например Сь — Са, приходится на меньшую длину.

В углеродистых сталях образование и гомогенизация аусте­ нита протекают довольно быстро. При печном нагреве время вы­ держки больше времени окончания гомогенизации аустенита, ко­ торое при обычных температурах нагрева составляет максимум несколько минут (включая все процессы аустенитизации).

155

Гомогенизация аустенита идет гораздо дольше в легирован­ ных сталях. Легирующие элементы неравномерно распределены

аустенит неоднороден. В участках аустенита, соответствующих ис­ чезнувшим частицам феррита и карбида, различна не только кон­ центрация углерода, но и концентрация легирующих элементов.

Скорость диффузии большинства легирующих элементов на несколько порядков меньше скорости диффузии углерода. Поэтому после окончания перлито-аустенитного превращения аустенит до­ вольно долго остается химически неоднородным, причем разно­ стью концентраций легирующего элемента поддерживается и раз­ ность концентраций по углероду.

Рассмотренные процессы аустенитизации играют важную роль при скоростном индукционном нагреве, когда время пребывания стали в области температур аустенитизации очень мало.

2. Размер аустенитного зерна

На сильно развитой феррито-карбидной поверхности раздела образуется большое число центров аустенита, и к концу превраще­ ния аустенитное зерно получается мелким. Чем дисперснее исход­ ная структура, тем мельче аустенитное зерно.

С повышением температуры с. з. ц. аустенита возрастает более интенсивно, чем л. с. р., и соответственно аустенитное зерно в мо­ мент окончания аустенитизации получается мельче. Следователь­ но, при быстром нагреве до высоких температур и коротких вы­ держках можно получать мелкое аустенитное зерно, что важно для термообработки со скоростным нагревом.

По окончании аустенитизации зерна аустенита способны к рос­ ту, движущей силой которого является неуравновешенность по­ верхностного натяжения на границах и в стыках зерен. С повыше­ нием температуры рост зерна аустенита ускоряется. Зерно может расти равномерно, как при собирательной рекристаллизации, но может наблюдаться и неравномерный рост, когда небольшое чис­ ло крупных зерен аустенита растет за счет множества мелких, пока они не исчезнут. Этот процесс по существу является вторич­ ной рекристаллизацией (см. § 11). Мелкие зерна аустенита стаби­ лизированы против роста дисперсными частицами, в частности нитрида алюминия.

При перлито-аустенитном превращении удельный объем умень­

Бочвар предположил, что первичная рекристаллизация аустенита наступает в результате фазового наклепа. В. Д. Садовский пока­ зал, что температурный интервал первичной рекристаллизации аустенита, происходящей под действием фазового наклепа, может накладываться на температурный интервал аустенизации, а мо­

156

жет быть сдвинут выше температуры ее окончания на десятки и сотни градусов.

Первичная рекристаллизация аустенита представляет большой практический интерес, если исходная структура стали кристалло­ графически упорядочена, как в случае видманштеттовой структу­

сит или бейнит. При отжиге в таких случаях можно встретиться со структурной наследственностью: аустенит получается ориентационно связанным с исходной структурой и если исходное зерно было крупным, то и вновь образующееся аустенитное зерно также по­ лучается крупным. Но из-за фазового наклепа аустенит имеет по­ вышенную плотность дефектов решетки и обладает термодинами­ ческим стимулом к первичной рекристаллизации, которая идет из многих центров, измельчает зерна аустенита и нарушает его ори­ ентационные связи с исходной структурой.

В 1868 г. Д. К. Чернов установил, что для исправления крупно­ зернистое™ стали, определяемой по излому, необходим нагрев вы­ ше точки Ь. Обычно точку b Чернова отождествляют с критической точкой Лс3. Однако из работ В. Д. Садовского следует, что знаме­ нитая точка Ь, всегда соответствующая температуре перекристал­ лизации, исправлению крупнозернистое™, в зависимости от соста­ ва и исходной структуры стали может совпадать с Лс3, а может находиться значительно, иногда на 200°С, выше Лс3. В последнем случае точка b соответствует температуре начала первичной ре­ кристаллизации аустенита, а сама рекристаллизация, конечно, яв­ ляется следствием а -*■у-превращения.

Размер аустенитного зерна — важнейшая структурная харак­ теристика нагретой стали. От размера зерна аустенита зависят по­ ведение стали в различных процессах термической и механической обработки и механические свойства изделия. Особенно чувстви­ тельна к размеру аустенитного зерна ударная вязкость, которая падает с укрупнением зерна. Ударная вязкость мелкозернистой стали может в несколько раз превышать ударную вязкость круп­ нозернистой стали той же марки, причем твердость в обоих слу­ чаях может быть одинакова.

Не всегда необходимо стремиться к получению мелкого зерна. Например, с укрупнением аустенитного зерна улучшается обраба­ тываемость резанием и уменьшается сопротивление деформации при холодной высадке деталей.

Размер аустенитного зерна зависит, как отмечено выше, от тем­ пературы и времени выдержки при нагреве, а также от содержа­ ния в стали углерода и легирующих элементов. Увеличение кон­ центрации углерода в гамма-растворе способствует росту зерна, что можно объяснить понижением солидуса сплава и соответству­ ющим ростом гомологической температуры при постоянной темпе­ ратуре отжига. Повышение содержания углерода сверх предель­ ной концентрации в аустените (линия ES диаграммы состояния

157

Fe—Fe3C) затрудняет роет аустенитного зерна, что объясняется тормозящим действием частиц цементита.

Почти все легирующие элементы тормозят рост аустенитного зерна. Исключение составляет марганец, который усиливает рост зерна аустенита. Наиболее сильно тормозят рост аустенитного зерна V, Ti, А1 и Zr, хорошо тормозят роет зерна W, Мо и Сг и слабо действуют Ni и Si.

Основной причиной этого действия легирующих элементов счи­ тается образование труднорастворимых в аустените карбидов и оксидов, которые являются барьерами для растущего зерна. Такие активные карбидообразователи, как Ti, Zr и V, сильнее тормозят рост зерна, чем Cr, W и Мо, так как карбиды первых более устой­ чивы и труднее растворяются в аустените.

Разные плавки стали одной марки могут сильно различаться по склонности к росту аустенитного зерна, так как они содержат разные количества мельчайших примесей, карбидов, окислов, суль­ фидов и нитридов, затрудняющих рост зерна. Следовательно, склонность стали к росту зерна при нагревании зависит не только от ее состава по основным компонентам, но и от металлургическо­ го качества, технологии производства, т. е. от той ее истории, кото­ рая предшествует термообработке. В связи с этим различают нас­ ледственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые стали.

В наследственно крупнозернистой стали зерно интенсивно рас­ тет при относительно небольших превышениях температуры над точкой Ас3,. В наследственно мелкозернистой стали мелкое аусте­ нитное зерно получается в широком диапазоне температур: от точки Аса до 950—1100°С. Переход через этот температурный по­ рог приводит к перегреву наследственно мелкозернистой стали. Под перегревом здесь подразумевается интенсивное укрупнение зерна и связанное с этим падение ударной вязкости1.

Для определения склонности стали к росту зерна пользуются стандартной технологической пробой, которая состоит в следу­ ющем. Доэвтектоидную сталь цементуют при 930°С в течение 8 ч с последующим медленным охлаждением. Размер зерна определя­ ют по карбидной сетке, окаймляющей границы аустенитных зе­ рен. Заэвтектоидную сталь нагревают до 930°С и после выдержки в течение 3 ч медленно охлаждают. Размер зерна определяют по сетке вторичных карбидов, выделяющихся по границам аустенит­ ных кристалов. Другой метод состоит в окислительном нагреве шлифа в течение 3 ч при 930°С. Границы зерен аустенита выяв­ ляются сеткой окислов. Размер зерна аустенита в среднеуглероди­ стой стали (0,3—0,5% С) можно определить по сетке избыточного феррита, который выделяется на границах аустенитных зерен при охлаждении образца на воздухе.

Для производственного контроля стандартизована шкала раз­ меров зерна, с которой сравниваются микроструктуры, видимые под микроскопом при увеличении в 100 раз.

1 Не следует путать это понятие перегрева с перегревом в теории фазовых превращений

158

При пробе на наследственное зерно температура нагрева 930°С выбрана по следующим соображениям. Для большинства сталей температура нагрева при различных видах термообработки не превышает 930°С. Вместе с тем наследственно мелкозернистая сталь при 930°С еще сопротивляется интенсивному росту зерна, а в наследственно крупнозернистой стали при этой температуре вы­ растает крупное зерно.

Таким образом, различают наследственное зерно и действитель­ ное зерно аустенита. Наследственное зерно получается в стандарт­ ных условиях технологической пробы и характеризует склонность стали к росту зерна. Действительное зерно — это то зерно, кото­ рое получается в результате той или иной операции термообработ­ ки. Оно может быть больше или меньше наследственного зерна в зависимости от того, выше или ниже 930°С температура нагрева стали при термообработке.

Алюминий особенно сильно влияет на рост зерна аустенита при нагреве стали. Наследственно мелкозернистую сталь получают введением в ковш перед разливкой примерно 0,05% А1. Мельчай­ шие частички нитридов и окислов алюминия как барьеры тормозят рост зерен аустенита. Интенсивный рост зерна в наследственно мелкозернистой стали выше температур 950—1100°С объясняется растворением и возможно коагуляцией барьерных частиц.

§ 24. ДИФФУЗИОННЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ АУСТЕНИТА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ

1. Перлитное превращение

Основное превращение, протекающее во время охлаждения при отжиге стали, — это эвтектоидный распад аустенита на смесь фер­ рита с карбидом. Кинетика эвтектоидного превращения изобра­ жается С-образными кривыми на диаграмме изотермического превращения аустенита (рис.

159»