9.4. Четыре основных превращения в стали

При изучении кристаллизации мы видели, что этот процесс превращения жидкости в твердое вещество и наоборот совершается вследствие большей устойчивости одного или другого состояния.

Фазовые превращения, которые совершаются в стали, также выз­ваны тем, что вследствие изменившихся условий, например темпера­туры, одно состояние оказывается менее устойчивым, чем другое. Этим и вызываются превращения, протекающие в стали.

Рассматривая структурные превращения в стали, мы, прежде всего, должны указать, что основными являются три структуры, а переход их из одной в другую характеризуют основные превра­щения.

Укажем эти структуры:

аустенит (А) — твердый раствор углерода в γ-железе Fe_γ (С);

мартенсит (М) — пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе Fe_α (С);

перлит (П) — эвтектоидная смесь из одновременно образующихся феррита и карбида Fe_α + Fe₃С (ничтожно малой равновесной раст­воримостью углерода в феррите пренебрегаем).

При термической обработке стали наблюдаются четыре основных превращения.

I. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки Ас₁, выше температуры стабильного равновесия аустенит—перлит; при этих температурах из трех основных структур минимальной свободной энергией обладает аустенит:

Fe_α + Fe₃С → Fe_γ (С) или П → А

II. Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже А₁:

Fe_γ (С) → Fe_α + Fe₃С или А → П

III. Превращение аустенита в мартенсит:

Fe_γ (С) → Fe_α (С) или А →М

Это превращение наблюдается ниже температуры метастабильного равновесия аустенит—мартенсит (Т_о). При Т_о более устойчи­вой фазой является перлит, однако работа, необходимая для обра­зования мартенсита из аустенита, меньше, чем для образования перлита, поэтому ниже Т_о образование перлита (феррито-карбидной смеси) из аустенита может произойти только в результате превра­щения аустенита в мартенсит, а затем уже мартенсита в перлит.

Таким образом, аустенито-мартенситное превращение в данном случае является промежуточным в процессе перехода аустенита в перлит.

IV. Превращение мартенсита в перлит, точнее, в феррито-карбидную смесь:

Fe_α (С) → Fe_γ + Fe₃С или М →П.

Оно происходит при всех температурах, так как при всех темпе­ратурах свободная энергия мартенсита больше свободной энергии перлита (точнее феррито-карбидной смеси).

9.5. Образование аустенита

Превращение перлита в аустенит в полном соответствии с диаграм­мой состояния Fе—С может совершиться лишь при очень медленном нагреве. При обычных условиях нагрева превращение запаздывает и получается перенагрев, т. е. превращение происходит лишь при температурах, несколько более высоких, чем указано на диаграмме Fe—C.

Перенагретый выше критической точки перлит с различной ско­ростью в зависимости от степени перенагрева превращается в ау­стенит.

На рис. 49 приведены данные, показывающие время превращения перлита в аустенит для стали, содержащей 0,86 % С, при разных температурах (в зависимости от степени перенагрева). Расположение кривых показывает, что чем выше температура, тем быстрее (т. е. за меньший отрезок времени) протекает превращение.

Например, при 780 °С превращение перлит + аустенит завер­шится за 2 мин. а при 740 °С — за 8 мин.

Рис. 49. Превращения перлита (П) в аустенит (А) при постоянной темпера­туре

Диаграмма, приведенная на рис. 49, дана в координатах темпе­ратура — время, поэтому на нее можно нанести кривые нагрева.

Луч соответствует нагреву стали с какой-то определенной ско­ростью v₂. Он пересекает линии начала и конца превращения в то­чках а" и b". Следовательно, при непрерывном нагреве со скоростью v₂ мы зафиксируем превращение, протекающее в интервале темпера­тур от точки а" до точки b". Если нагрев был более медленным, то луч v₁ пересекает кривые превращения при более низких температурах (точки а' и b'), и превращение произойдет тоже при более низ­ких температурах.

Кривые начала и конца превращения, асимптотически прибли­жаясь к горизонтали А₁ пересекут ее в бесконечности. Нагрев с бес­конечно малой скоростью пересечет горизонталь А₁ в бесконечности, где сливаются кривые начала и конца превращения и где превраще­ние перлита в аустенит произойдет в одной «точке», т. е. при посто­янной температуре. Это, очевидно, и будет случай равновесного превращения — по диаграмме Fe—С. Реальные превращения, в от­личие от равновесных, протекают при температуре выше А₁ и не при одной температуре, а в интервале температур, лежащем тем выше, чем быстрее нагреваем сталь.

Окончание процесса превращения характеризуется образова­нием аустенита и исчезновением перлита. Однако этот вновь образовавшийся аустенит даже в объеме одного зерна неоднороден. В тех местах, в которых ранее были пластинки (или зерна) перлитного це­ментита, содержание углерода больше, чем в тех местах, где зале­гали пластинки феррита. Поэтому только что образовавшийся аусте­нит неоднороден.

Для получения однородного по составу (гомогенного) аустенита при нагреве требуется не только перейти через точку окончания перлитно-аустенитного превращения, но и перегреть сталь выше этой точки или дать выдержку для завершения диффузионных процессов внутри аустенитного зерна.

Скорость гомогенизации аустенита в значительной степени опре­деляется исходной структурой стали — степенью дисперсности це­ментита и его формой. Чем мельче частицы цементита и, следова­тельно, больше их суммарная поверхность, тем быстрее происходят описанные превращения.