Рост зерна аустенита при нагреве

Зерна аустенита, образующиеся при нагреве стали выше критической точки Ас, получаются мелкими (начальное зерно аустенита). При дальнейшем повышении температуры нагрева или длительности выдержки при данной температуре происходит рост зерна аустенита. Зерно обычно растет самопроизвольно — слиянием и поглощением более мелких зерен более крупными, т. е. путем увеличения размера одних зерен за счет других в результате стремления всей системы к уменьшению свободной энергии (вследствие сокращения поверхности зерен) и к увеличению термодинамической устойчивости. Движущей силой роста зерна аустенита является разность свободных энергий мелкозернистой структуры (где поверхностная энергия очень велика) и крупнозернистой структуры аустенита.

При росте зерна атомы переходят (в результате самодиффузии) от соседнего зерна к растущему через границу, вследствие чего границы зерен перемещаются.

Склонность к росту зерна с повышением температуры у сталей различная. Под наследственной зернистостью подразумевается склонность аустенитного зерна к росту при повышении температуры.

По склонности к росту зерна различают стали наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые.

В наследственно мелкозернистой стали при нагреве до 1000—1050°С зерно увеличивается незначительно, по при более высоком нагреве начинается бурный рост зерна, В наследственно крупнозернистой стали уже при небольшом нагреве выше А_С, происходит очень сильный рост зерна.

Наследственно мелкозернистыми являются стали, раскисленные в процессе выплавки алюминием, образующим устойчивые дисперсные частицы, которые при затвердевании стали располагаются по границам зерен, образуя барьер, и препятствуют pocтy зерна при нагреве. Однако такое торможение pocтa зерна аустенита существует только до определенной температуры нагрева, при которой происходит растворение частиц раскислителя, и зерно растет дальше в большей степени, чем в наследственно крупнозернистой стали.

Стали, раскисленные в процессе выплавки кремнием и марганцем, с повышением температуры склонны к непрерывному росту зерна, т. е. являются наследственно крупнозернистыми.

Термины наследственно крупнозернистая и наследственно мелкозернистая сталь не означают, что данные стали всегда будут иметь крупное или мелкое зерно. Наследственное зерно означает лишь, что крупнозернистая сталь будет иметь крупное зерно при более низких температурах нагрева по сравнению с мелкозернистой. Поскольку наследственно мелкозернистая сталь при высокой температуре нагрева может иметь более крупное зерно аустенита, чем наследственно крупнозернистая, введено понятие действительного зерна, т. е. зерна аустенита, определяемого температурой нагрева, продолжительностью выдержки при ней и склонностью данной стали к росту зерна при нагреве. От размера зерна аустенита, образовавшегося при нагреве (действительного зерна), зависит размер зерна продуктов распада аустенита при охлаждении. Если зерно аустенита мелкое, то и продукты распада аустенита получаются мелкими, т. е. действительное зерно при последующем охлаждении не изменяется.

Влияние величины зерна на свойства стали.

Величина действительного зерна практически не влияет на механические свойства, получаемые при испытании на статическое растяжение (_в, _о,2, ,) и на твердость. Рост зерна, главным образом, резко снижает ударную вязкость и повышает порог хладноломкости. Крупнозернистая сталь более склонна к закалочным трещинам, деформации и короблению. Разнозернистость стали способствует снижению ее конструктивной прочности и вызывает охрупчиванпе, особенно у деталей, имеющих концентраторы напряжений.

Превращения в стали при охлаждении

Распад переохлажденного аустенита

Распад аустенита может происходить только при температурах ниже 727 °С (критическая точка A_с1), когда свободная энергия аустенита выше свободной энергии продуктов его превращения. Следовательно, для распада аустенит должен быть переохлажден. От степени переохлаждения, т. е. от температуры, при которой происходит распад аустенита, зависят скорость превращения и строение продуктов распада аустенита.

Если нагретую до состояния аустенита сталь быстро охладить до температуры ниже критической точки Аr и затем выдержать при данной температуре, то превращение аустенита в феррито-цементитную смесь будет проходить в течение определенного времени. Такой процесс превращения аустенита при постоянной температуре (изотермический процесс) можно охарактеризовать зависимостями, приведенными на рис. 30. После охлаждения стали до температуры t ниже температуры критической точки Аr аустенит сохраняется нераспавшимся некоторое время (отрезок о - а на рис. 30,а). Этот период времени называется инкубационным периодом. По истечении инкубационного периода начинается распад аустенита на феррито-цементитную смесь. С течением времени аустенит распадается все больше (отрезок а—б). Полный распад аустенита

заканчивается по истечении времени, равного отрезку а—в (рис. 30,б). Следовательно, для распада аустенита на феррито-цементитную смесь при какой-то заданной температуре требуется определенное время.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области его превращения: перлитную, промежуточного превращения и мартенситную.