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

ние закаленных высокоуглеродистых сталей равны нулю. В то вре­ мя, когда считалось, что мартенситное превращение протекает толь­ ко в сталях, обычно подчеркивалось, что мартенсит тверд, но хру­ пок. Когда же обнаружили мартенситное превращение в безуглеродистых железных сплавах и сплавах цветных металлов, то ока­ залось, что хрупкость не является общим свойством, присущим лю­ бому мартенситу. Теперь установлено, что низкое сопротивление хрупкому разрушению мартенсита в сплавах железа связано с при­ сутствием в о.ц.к. решетке элементов внедрения—углерода и азота.

Основная причина резкого охрупчивания при закалке углероди­ стых сталей — малая подвижность дислокаций в мартенсите, содер­ жащем углерод. Это вызвано, во-первых, повышенным сопротивле­ нием решетки раствора внедрения скольжению дислокаций и, вовторых закреплением дислокаций атмосферами из атомов углерода. Из-за низкой подвижности дислокаций не происходит релаксации напряжений у вершины хрупкой трещины вследствие микропластической деформации, чем и объясняется низкое сопротивление мар­ тенсита распространению трещины.

Зарождению хрупких трещин способствует локальная концент­ рация микронапряжений около скоплений дислокаций в мартенси­ те. Следовательно, мартенсит углеродистых сталей обладает пони­ женным сопротивлением зарождению и особенно низким сопро­ тивлением развитию хрупких трещин. В высо'коуглер'одистых ста­ лях микротрещины можно увидеть сразу же после заналки, еще до приложения 'внешней нагрузки (см. рис. 132).

Картина резко меняется, если углерод вывести из состава спла­ ва. Так называемые мартенситно-стареющие стали, являющиеся безуглеродистыми сплавами железа с никелем, кобальтом, молиб­ деном и титаном (о них см. в § 47), после закалки на мартенсит отличаются высокими показателями пластичности (6=14 4-20%,

4- 30 кгс-м/см2). Эти сплавы в закаленном состоянии можно обра­ батывать при комнатной температуре давлением с высокими обжа­ тиями, в то время как закаленную высокоуглеродистую сталь из-за хрупкости вообще невозможно обработать давлением при комнат­ ной температуре.

Высокие показатели пластичности безуглеродистых железных сплавов после закалки на мартенсит объясняются следующим. В мартенсите при плотности дислокаций, доходящей до Ю12 см~2, для закрепления всех дислокаций требуется концентрация углерода около 0,2%• Поэтому в закаленных мартенситно-стареющих сталях, содержащих не более 0,03% С, имеются незакрепленные дислока­ ции. Никель и кобальт, содержащиеся в большом количестве в этих сталях (например, сталь с 18% Ni и 8% Со), увеличивают подвиж­ ность дислокаций в мартенсите, так как они понижают сопротивле­ ние решетки мартенсита скольжению дислокаций (уменьшают силу Пайерлса — Набарро) и уменьшают степень закрепления дислока­ ций атомами примесей углерода и азота. Высокая подвижность ди­ слокаций в железоникелевом мартенсите обеспечивает разрядку на­

250

пряжений у вершины трещины, повышая сопротивление хрупкому разрушению.

Если отвлечься от проблемы хрупкости твердых растворов с о. ц. к. решеткой, содержащих элементы внедрения, то следует за­ метить, что закаленные на мартенсит металлы и сплавы в общем могут иметь довольно высокие показатели пластичности, хотя после мартенситного превращения из-за повышенной плотности дефектов решетки показатели пластичности должны быть ниже, чем после полиморфного превращения с неупорядоченной перестройкой ре­ шетки.

§38. БЕЙНИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ

1.Строение бейнита

Вуглеродистых сталях ниже изгиба С-кривой, в интервале при­ мерно 500—250°С, происходит бейнитное превращение. Оно называ­ ется также промежуточным превращением — промежуточным меж­ ду перлитным и мартенситным. Кинетика этого превращения и по­ лучающиеся структуры имеют черты кинетики и структур, наблю­ даемых при диффузионном перлитном и бездиффузионном мартен­ ситном превращениях.

Врезультате бейнитного превращения образуется смесь а-фазы (феррита) и карбида, которая называется бейнитом. Карбид в бей-

ните не имеет пластинчатого строения, свойственного перлиту. Карбидные частицы в бейните очень дисперсны, и их можно обна­ ружить только под электронным микроскопом.

Различают «верхний» и «нижний» бейнит, образующиеся соот­ ветственно в верхней и нижней части промежуточного интервала температур. Верхний бейнит имеет перистое строение, а нижний — игольчатое, мартенситоподобное. Нижний бейнит по виду микро­ структуры бывает трудно отличить от отпущенного мартенсита. Указанные микроструктурные особенности, связанные с формой кристаллов феррита, не обязательны для бейнита во всех сталях. Феррит в бейните может и не иметь игольчатой формы. Встречают­

251

схемой на рис. 143 метастабильный е-карбид образуется только при переохлаждениях аустенита до температур ниже 350°С. Скорость его зарождения больше, чем у цементита, так как е-карбид ближе по структуре к аустениту и должен характеризоваться меньшей ра­ ботой образования критического зародыша (см. § 21).

При нагревании стали со структурой нижнего бейнита до тем­ ператур выше 350°С метастабильный е-карбид растворяется и за­ меняется цементитом.

2.Кинетика бейнитного превращения

Вбейнитном интервале температур, так же как и в перлитном, переохлажденный аустенит начинает распадаться после некоторого инкубационного периода. На диаграмме изотермического распада углеродистой стали бейнитное превращение не обособлено от пер­ литного: зависимость инкубационного периода от температуры изо­ бражается одной С-кривой. Минимум инкубационного периода (из­ гиб С-кривой) у углеродистой стали находится в перлитной обла­ сти. Ниже этого изгиба с понижением температуры изотермическо­ го превращения наблюдается постепенный переход от перлитной области к бейнитной. При этом вначале происходит бейнитное пре­ вращение, а затем при увеличении изотермической выдержки — перлитное. В результате структура стали состоит из верхнего бей­ нита и тонкопластинчатого перлита. С понижением температуры превращения доля перлита уменьшается и, начиная с некоторой температуры ниже изгиба С-кривой, образуется только бейнит.

Обособленность бейнитного превращения от перлитного очень хорошо выявляется на диаграммах изотермического распада аусте­ нита в легированных сталях. У сталей, легированных карбидообра­ зующими элементами (Сг, W, Мо и др.), под С-кривыми перлитно­ го распада находятся С-кривые начала и конца бейнитного превра­ щения (рис. 144). Области перлитного и бейнитного превращений в этих сталях могут частично перекрываться. Например, на рис. 144,6 показано, что при 500°С через 100 с начинается бейнитное превра­

252

щение, которое примерно через 60 мин от начала изотермической

выдержки переходит в перлитное.

У высоколегированных сталей С-кривые перлитного и бейнитнэго превращения могут быть разделены температурным интервалом высокой устойчивости переохлажденного аустенита, в котором пер­ литный распад не происходит в течение многих часов, а для бей-

Рис. 144. Диаграммы изотермического распада аустенита легированных сталей с обособлен­

превращения обозначают точкой Вн. Выше этой точки аустенит не превращается в бейнит.

Кинетика бейнитного превращения похожа на кинетику пер­ литного не только наличием инкубационного периода, но и харак­ тером нарастания объема во время изотермической выдержки: вна­ чале доля превращенного объема аустенита нарастает с ускорени­ ем, а затем с замедлением (см. кинетическую кривую на рис. 79). Вместе с тем во многих легированных сталях бейнитное превраще­ ние имеет характернейшую особенность мартенситного превраще-

253

ция — оно не доходит до полного исчезновения аустенита. Каждая точка на С-кривой конца бейнитного превращения (например, кри­ вой 4 на рис. 144, в) соответствует определенному количеству оста­ точного аустенита. С удалением температуры превращения от точки Ви количество бейнита возрастает (от нуля при температуре б н), а количество остаточного аустенита уменьшается (здесь аналогия с уменьшением количества остаточного аустенита при понижении температуры мартенситного превращения см. § 36).

Часть остаточного аустенита может перейти в мартенсит при ох­ лаждении стали от температуры бейнитного превращения до ком­ натной.

Легирующие элементы по-разному влияют на скорость распада аустенита в перлитном и бейнитном интервалах. У одних сталей сильнее сдвинута вправо С-кривая начала перлитного превраще­ ния, а у других — бейнитного (см. рис. 144). В высоколегированных сталях с небольшим содержанием углерода перлитное превращение может протекать настолько медленно, что на диаграмме изотерми­ ческого распада оно не отображается (рис. 145). В этом случае на

1д бремени, (с)

Ри-с. 145. Диаграмма изотермического превращения аустени­ та в стали 18Х2Н4ВА {А, А. Попов)

диаграмме отображено только бейнитное превращение. Возможен также случай, когда бейнитное превращение протекает очень мед­ ленно и на диаграмме изотермического распада аустенита легиро­ ванной стали отображается только перлитное превращение.

3. Механизм бейнитного превращения

Бейнитное превращение включает следующие основные процес­ сы: у ->- a-перестройку решетки, перераспределение углерода, выде­ ление карбида. Хотя бейнитное превращение было открыто более 40 лет назад, механизм его все еще остается дискуссионным.

Спопными являются следующие важные вопросы: 1) в какой по­ следовательности совершаются процессы у— >-а-перестройки, пере­ распределения углерода и выделения карбидов; 2) каков механизм образования феррита; 3) из какой фазы (аустенита или феррита) преимущественно выделяется карбид.

254

Большинство исследователей считают, что во всем температур­ ном интервале бейнитного превращения феррит образуется из аустенита по мартенситному механизму. В пользу этого представ­ ления говорят следующие факты: образование рельефа на плос­ кой полированной поверхности образца (при перлитном превра­ щении рельеф не возникает), присутствие в легированных сталях остаточного аустенита после окончания бейнитного превращения (перлитное превращение всегда доходит до исчезновения аустени­ та), сходство микроструктур нижнего бейнита и отпущенного мар­ тенсита, близость кристаллографии феррита в бейните « мар­ тенсита, сходство субструктур верхнего бейнита и малоуглеродис­ того мартенсита.

Механизм бейнитного превращения, своеобразие его кинетики, близость и к перлитному, и к мартенситному превращениям можно объяснить следующим. Бейнитное превращение происходит при температурах ниже 500—450°С, т. е. ниже порога рекристаллиза­ ции железа. Это означает, что в бейнитном интервале практически полностью подавлено диффузионное перемещение атомов основ­ ного компонента—железа. Поэтому становится невозможным обра­ зование феррита путем неупорядоченной у— >-а-перестройки, т. е. по­ давляется перлитный распад. Но выше 200—250°С еще достаточно активно идет диффузия углерода, которая делает возможным вы­ деление карбида из аустенита и феррита. Р. И. Энтин считает, что в аустените, переохлажденном до температур промежуточного ин­ тервала, т. е. ниже 500—450°С, но выше 200—250°С, перераспре­ деляется углерод: в одних местах образуются участки, богатые им, а в других—-обедненные. Участки аустенита с низкой концен­ трацией углерода претерпевают мартенситное у —а-превращение.

Кристаллы a-фазы образуются в промежуточном интервале температур путем когерентного роста при упругой связи с исход­ ной у-фазой, т. е. точно так, как растут пластины мартенсита при превращении ниже мартенситной точки Мн. Но в отличие от чисто мартенситного превращения, для которого характерно «мгновен­ ное» образование пластин мартенсита, при бейнигном превраще­ нии пластинки a-фазы растут сравнительно медленно. Это объяс­ няется тем, что в промежуточном интервале температур а-фаза образуется из у-фазы, обедненной углеродом, и, следовательно, скорость роста кристаллов a-фазы контролируется скоростью диффузионного отвода атомов углерода.

Мартенситный механизм образования a-фазы при бейнитном превращении обусловливает появление рельефа на поверхности образца, игольчатый характер микроструктуры бейнита, возникно­ вение кристаллогеометрической связи решеток а- и у-фаз, присут­ ствие остаточного аустенита.

В момент мартенситного превращения концентрация углерода не меняется, а изменяется только решетка и образуется пересы­ щенный а-раетвор. Поэтому сейчас же после у— >-а-превращения начинается выделение карбида (цементита или е-карбида) из гараствора, т. е. фактически происходит отпуск (см. § 47).

255

В участках аустенита, которые перед у— мх-превращением обо­

цессов, происходящих в соответствии со схемой Р. И. Энтина при бейнитном превращении, показана на рис. 146.

Согласно другим представлениям, углерод перераспределяется не до мартенситной у— >-а-перестройки решетки, а сразу после нее:

не успевают перераспределиться при бейнитном превращении, и содержание их в феррите и аустените одинаково.

Разницу между строением верхнего и нижнего бейнита связы­ вают с разной подвижностью углерода в верхней и нижней части температурного интервала бейнитног© превращения. Когда угле­ род менее подвижен, первичной является мартенситная у —а-ие- рестройка решетки, а вторичным процессом служит отпуск— вы­ деление карбида внутри пересыщенного a-раствора. Так формиру­ ется структура нижнего бейнита. Предполагается, что при более высоких температурах карбид, как и феррит, зарождается прямо в аустените и образуется структура верхнего бейнита.

Термин «бейнитное превращение», первоначально предложен­ ный при изучении изотермических превращений в сталях, впослед-

Ряс. 146. Одна из возможных схем бейннтнсгго превращения

256

те внутри феррита оказываются заключенными вытянутые ряды карбидных ча­ стиц, параллельные границе а/у, хотя сам карбид выделялся не из феррита, а из аустенита (это не исключает выделения некоторого количества карбида из фер­ рита).

4. Механические свойства стали с бейнитной структурой

Бейнит прочнее перлита, причем его прочностные свойства ра­ стут с понижением температуры изотермического превращения

(рис. 147).

Повышенная прочность бейнита обусловлена малым размером ферритных кристаллов, дисперсными выделениями карбида, повы­ шенной плотностью дислокаций, закрепленных атомами углерода, и искажением решетки феррита из-за пересыщенности его углеро­ дом и легирующими элементами.

Предел текучести бейнита связан с размером ферритных кри­ сталлов соотношением Холла—Петча (13), так как границы а- кристаллов служат эффективными барьерами для дислокаций. С понижением температуры изотермического превращения в бейнитном интервале из-за более медленного отвода в аустенит атомов углерода от границы a/у кристаллы феррита получаются мельче, и это является одной из главных причин повышения прочностных свойств бейнита.

Частицы карбидов, находящиеся внутри a-фазы, тормозят дви­ жение дислокаций тем эффективнее, чем больше их в единице объема и чем они равномернее распределены. В верхнем бейните карбидные частицы расположены главным образом по границам ферритных кристаллов и поэтому не вносят существенного вклада в упрочнение. С понижением температуры превращения дисперс­ ность карбидов возрастает и они располагаются в основном внут­ ри феррита, повышая прочность бейнита.

бейнитном феррите закреплены коттрелловскими атмосферами из атомов углерода и вносят значительный вклад в упрочнение. Твер­ дорастворный механизм упрочнения, особенно элементами, раст­ воренными по способу замещения, по-видимому, несколько повы­ шает упрочнение бейнита.

На рис. 147 показано, что пластичность при переходе из пер­ литной области в бейнитную падает, а затем с понижением темпе­ ратуры вновь возрастает. Снижение пластичности связано с тем, что строение верхнего бейнита — сравнительно грубое. Частицы карбида, расположенные по границам ферритных кристаллов, по­ нижают пластичность бейнита. В нижнем же бейните частицы кар­ бидов находятся внутри a-фазы, и поэтому пластичность у него более высокая.

Сталь со структурой нижнего бейнита отличается сочетанием высокой прочности и вязкости.

258

Температура лредращепия°С

Рис. 147. Зависимость механических свойств эвтектоилно

температуры превращения аустенита (Гензамер Пирсе стали от

Л о у )

Пеллини.

9* Зак. 638

259