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

тем надежный, но и весьма трудоемкий метод. Образцы после раз­ личного времени выдержки в термостате закаливают в воде. Изо­ термически нераспавшийся аустенит превращается в мартенсит, который хорошо отличается под микроскопом от продуктов распа­ да аустенита.

При эвтектоидном превращении аустенита увеличивается удельный объем, падает электросопротивление и сталь переходит из парамагнитного в ферромагнитное состояние. На исследовании изменений этих физических свойств основаны соответственно ди­ латометрический, электрический и магнитный методы определения времени начала и конца превращения. Магнитометрический метод позволяет количественно определять степень превращения аусте­ нита в любой момент изотермической выдержки, так как интенсив­ ность намагничения образца пропорциональна количеству ферро­ магнитной альфа-фазы (аустенит парамагнитен).

При температуре 727°С (точка А\) аустенит находится в термо­ динамически устойчивом равновесии со смесью феррита и цемен­ тита. Чтобы начался распад аустенита, необходимо его переохла­ дить ниже 727°С.

Устойчивость переохлажденного аустенита характеризуется инкубационным периодом, т. е. отрезком времени (от оси ординат до левой С-кривой, рис. 88), в течение которого обычные методы не фиксируют появление продуктов распада.

Вэвтектоидной стали при температурах около 650°С переох­ лажденный аустенит наименее устойчив. Как раз при этих же тем­ пературах обнаружены максимумы скорости зарождения и скорос­ ти роста эвтектоида (см. рис. 71).

Вэвтектоидной смеси феррита с цементитом перлит растет из отдельных центров в виде колоний (рис. 89). Зародышем перлит-

Рис. 89. Образование колоний эвтектоида в одном зерне аустенита (схема)

ной колонии может быть или цементит, или феррит. Чаще считают, что им является цементит. В гомогенном аустените цементитный зародыш появляется в обогащенном углеродом участке флуктуационного происхождения. Зарождение облегчено на границе аусте­ нитных зерен, так как здесь меньше работа образования крити­ ческого зародыша (рис. 90,а). При утолщении цементитной плас­ тины вблизи нее аустенит обедняется углеродом и создаются ус­ ловия для зарождения путем полиморфного у— >-а-превращения ферритных пластин, примыкающих к цементитной /(рис. 90,6).

160

Если от колонии ответвляется (или на ее поверхности зарожда­ ется) пластина с другой ориентацией, то она служит зародышем для новой перлитной колонии (см. рис. 90,г и д).

Кроме бокового, идет торцовый рост пластин феррита и цемен­ тита (см. рис. 9 0 ,6 и в). Перед торцами пластин феррита и цемен­ тита концентрация углерода в аустените соответственно повышена и понижена, т. е. существуют градиенты концентрации перпенди­ кулярно и параллельно фронту превращения (при росте одной фазы градиент концентраций только перпендикулярен фронту превращения). Рост перлитной колонии контролируется диффузи­ онным перераспределением углерода параллельно фронту превра­ щения в объеме аустенита и прямо по границе перлитной колонии. Кооперативный рост двухфазной колонии путем диффузионного перераспределения компонентов — наиболее характерная особен­ ность перлитного превращения.

Спорость р'оста колонии и межпластиночное расстояние (сум­ марная толщина пластин феррита и цементита или, что то же са­ мое, расстояние между серединами ближайших одноименных пла­ стин) постоянны при данной степени переохлаждения аустенита. Зинер 1Пред!положил, что толщина пластин зависит от следующих факторов: 1) чем тоньше пластины обеих фаз, тем меньше пути диффузии углерода на фронте превращения и тем быстрее совер­ шается его перераспределение, необходимое для кооперативного роста колонии; 2) с утонением пластин возрастает суммарная по­ верхность их раздела и, следовательно, уменьшается разность ДЕоб—АКпов, являющаяся результирующей движущей силой прев­ ращения. При данной степени переохлаждения, т. е. при определен­ ной величине разности свободных энергий аустенита и перлита (ДЕоб), устанавливается такое межпластичное расстояние, при ко­ тором скорость роста, управляемая указанными факторами, макси­ мальна.

С увеличением степени переохлаждения ДТ возрастает Д/уб, что позволяет развиться большей поверхности Ф/Ц — межпласти­ ночное расстояние в перлите уменьшается.

Росту перлитной колонии с относительно высокой скоростью при любых переохлаждениях способствует низкая межфазная энер­ гия на границе пластин феррита и цементита вследствие соблюде­ ния здесь принципа структурного соответствия. Пластины сопря­ гаются гранями (101 )ц и | 1 1 2 [ ф или (0 0 1 ) ц и j 1 2 5 |ф . Соответству­

ющие кристаллографические плоскости в решетках феррита и це­ ментита имеют очень близкое строение. Указанная благоприятная для кооперативного роста взаимная ориентация фаз возникает, возможно, уже при эпитаксиальном зарождении одной из фаз на другой (см. рис. 9 0 ,а ) .

По поводу начального этапа зарождения перлитной колонии существует и другая точка зрения, согласно которой при форми­ ровании зародышей не образуются сначала одна, а затем другая фаза, а постепенно одновременно обе фазы развиваются в регу­ лярную структуру из чередующихся пластин, кооперативный рост которых и представляет собственно перлитное превращение.

162

щении. С повышением температуры в аустенитной области растет зерно и аустенит делается гомогеннее, что уменьшает число цент­ ров перлитного превращения и приводит к укрупнению перлитных колоний. При этом межпластиночное расстояние в перлите умень­ шается, так как гомогенный и крупнозернистый аустенит сильнее переохлаждается.

2, Превращения аустенита в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях

Выше рассматривалось превращение аустенита в стали эвтек-

ных сталях должны быть нанесены линии начала образования из­ быточной фазы (рис. 94).

В случае непрерывного охлаждения избыточный феррит на­ чинает образовываться при переохлаждении аустенита ниже точ­

эвтектоид с повышенным про­ тив равновесной концентрации эвтектоидной точки содержанием

железа был назван А. А. Бочваром квазиэвтектоидом. В заэвтекто­ идных сталях квазиэвтектоид обогащен углеродом по сравнению с составом точки S.

Скорость кооперативного роста двухфазной колонии, связан­ ного с диффузией на короткие расстояния параллельно фронту превращения (в отличие от диффузии на большие расстояния пер­ пендикулярно фронту превращения при росте избыточного фер­ рита), сравнительно высока, и перлитное превращение быстро ох­ ватывает весь объем аустенита. Поэтому после начала перлитного

165

ла образования видманштеттовой структуры повышается. Поэтому видманштеттова структура наиболее ярко проявляется в литых сталях, где аустенитное зерно крупное, и в сталях, перегретых при термообработке.

Вторичный цементит при небольших переохлаждениях выде­ ляется в виде прожилок (сетки) по границам аустенитных зерен (см. ниже рис. 101, а), а с увеличением переохлаждения образует

ипластины (иглы) внутри аустенитного зерна.

3.Влияние легирующих элементов на перлитное превращение

Легирующие элементы оказывают чрезвычайно важное для практики влияние на кинетику распада аустенита. За исключени­ ем кобальта, все широко используемые легирующие элементы, растворенные в аустените (Cr, Ni, Mn, W, Mo, V и др.), замедляют перлитное превращение, сдвигая верхнюю часть С-кривой вправо.

Природа увеличения устойчивости переохлажденного аусте­

ем углерода, то в легированных сталях к этому могут добавиться образование специальных карбидов и диффузионное перераспре­ деление легирующих элементов, по-разному растворенных в фер­ рите и карбиде.

Когда сталь в равновесном состоянии должна содержать спе­ циальный карбид, возможны несколько вариантов карбидообразования при перлитном превращении. Во-первых, при небольших переохлаждениях из аустенита образуется непосредственно ста­ бильный специальный карбид. При больших переохлаждениях вме­ сто стабильного может образоваться промежуточный метастабильный карбид, состав которого и (или) структура ближе к аустени­ ту, чем у стабильного карбида. Например, в стали с 0,47% С и 16,2% Сг в интервале 770—700°С образуется стабильный карбид (Сг, Fe)2^C6, а в интервале 650—600°С (Сг, Ре)2зСб и метаетабильный карбид (Fe, Сг)7С3.

Образование специального карбида с высоким содержанием углерода и карбидообразующего легирующего элемента требует большого диффузионного перераспределения в аустените обоих компонентов карбида. Из-за низкой подвижности легирующего элемента это перераспределение может не дойти до стадии образо­ вания специального карбида (в том числе и промежуточного), но бывает достаточным для образования легированного цементита (Fe, Ме)$С, в решетке которого легирующий элемент (Me) частич­ но замещает атомы железа и содержится в значительно меньшем количестве, чем в специальном карбиде. Концентрация легиру­ ющего элемента в цементите может даже не отличаться от кон­ центрации его в аустените. С увеличением переохлаждения аусте­ нита возрастает вероятность образования легированного цементи­ та вместо специального карбида.

167

Если непосредственно из аустенита при перлитном превраще­ нии образовалась метастабильная карбидная фаза (промежуточ­ ный карбид или легированный цементит), то последующая изотер­ мическая выдержка в перлитном интервале температур способна привести к постепенной замене ее стабильным специальным кар­ бидом путем перераспределения легирующего элемента между ферритом и карбидом. Иногда для этого требуются сотни часов.

Растворенные в аустените легирующие элементы не только сами имеют малый коэффициент диффузии, иногда в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем у углерода, но некоторые из них (Мо, W) замедляют диффузию углерода в у-решетке. Кроме того, не­ которые элементы (Сг, Ni) замедляют у -* a -перестройку, являю­ щуюся составной частью перлитного превращения.

Таким образом, легирующие элементы могут замедлять пер­ литное превращение по следующим причинам: 1) из-за образова­ ния специальных карбидов и необходимости диффузионного пере­ распределения в аустените легирующих элементов, атомы которых несравненно менее подвижны, чем атомы углерода; 2) из-за замед­ ления диффузии углерода; 3) из-за уменьшения скорости поли­ морфного у— мх-превращения. В зависимости от состава стали и степени переохлаждения аустенита решающим может оказаться тот или иной из указанных факторов. Например, при добавке к эвтектоидной углеродистой стали 0,8% Мо продолжительность полного распада аустенита при температуре вблизи изгиба С-кри- вой возрастает «а четыре порядка (!), причиной чего является .не­ обходимость диффузионного перераспределения компонентов в аустените в связи с образованием карбида (Fe, Мо)гз'Сб-

Более сильный эффект оказывает легирование одновременно несколькими элементами. Замедление распада аустенита под дей­ ствием легирующих элементов широко используют для увеличения прокаливаемое™ стали (ем. § 40).

Здесь, в разделе об отжиге 2-го рода, важно отметить, что леги­ рование приводит к большему переохлаждению аустенита при не­ изменной скорости охлаждения (рис. 96)*. Так как с увеличением

168

переохлаждения уменьшается межпластиночное расстояние, то при одинаковой скорости охлаждения легированная сталь после пер­ литного превращения оказывается прочнее.

§ 25. РАЗНОВИДНОСТИ ОТЖИГА СТАЛЕЙ

Основной фактор, от которого зависит микроструктура стали

1. Полный отжиг

При отжиге сталь после нагрева выше критической точки мед­ ленно охлаждается вместе с печью. Проведение отжига 2-го рода основано на использовании фазового превращения в отличие от отжига 1-го рода, основанного на рекристаллизации, снятии мак­ ронапряжений и других структурных изменениях, необязательно связанных с фазовыми превращениями.

Для проведения полного отжига доэвтектоидную сталь нагре­ вают до температур на 20—40РС выше точки Асг (рис. 98).

Охлаждение при отжиге проводят с такой малой скоростью, чтобы аустенит распадался при небольшой степени переохлажде­ ния. Так как в легированных сталях аустенит более склонен к пе­ реохлаждению (см. рис. 96), то их следует охлаждать при отжиге с меньшей скоростью, чем углеродистые. Если углеродистые стали можно охлаждать при отжиге со скорстью 200 град/ч, то легиро­ ванные — со скоростью 100—30 град/ч. Скорость охлаждения при отжиге можно регулировать, охлаждая печь с закрытой или от­ крытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогре­ вом, и перегружая садку в специальную камеру замедленного ох­ лаждения.

169