Лахтин_Матеориаловедение

творимые в аустените карбиды (нитриды), которые служат барьером для роста зерна. Чем больше объемная доля карбидов (нитридов) и выше их дисперсность (меньше

размер), тем мельче зерно аустенита. Одновременно нерастворимые карбиды (нитриды) оказывают зародышевое влияние на образование новых зерен аустенита, что также приводит к получению более мелкого зерна. Марганец и фосфор способствуют росту зерна аустенита.

Следует отметить, что термины «наследственно крупнозернистая сталь» и «наследственно мелкозернистая сталь» не обозначают того, что данная сталь имеет всегда крупное или всегда мелкое зерно. Наследственное зерно, полученное в стандартных условиях технологической пробы, указывает лишь на то, что при нагреве до определенных температур крупнозернистая сталь приобретает крупное зерно при более низкой температуре, чем сталь мелкозернистая (см. рис 107).

Поэтому введено понятие о действительном зерне, т. е. зерне, существующем в стали при данной температуре.

Размер действительного зерна аустенита обусловлен температурой нагрева, продолжительностью выдержки при ней и склонностью данной стали к росту зерна при нагреве.

Продолжительный нагрев доэвтектоидной (заэвтектоидной) стали при температурах, значительно превышающих Ac3 или Аст, приводит к образованию крупного действительного зерна как непосредственно при этой температуре, так и после охлаждения до 20 °С. Такой нагрев принято называть перегревом стали. В перегретой стали нередко наблюдается видманштеттова структура (рис. 108). Перегретая сталь характеризуется хрупким изломом.

Влияние величины зерна на свойства стали. Как упомянуто ранее (см. рис. 80), чем мельче зерно, тем выше прочность (σΒ, σT, σ-1), пластичность (δ, ψ) и вязкость (KCU, KCT), ниже порог хладноломкости (t50) и меньше склонность к хрупкому разрушению. Уменьшая размер зерна аустенита, можно компенсировать отрицательное влияние других механизмов упрочнения на порог хладноломкости.

Аномально ведет себя трещиностойкость Κ1c·При укрупнении зерна ауетенита до 10—15 мкм трещиностойкость уменьшается (рис. 109), а при дальнейшем росте зерна возрастает. Вероятно,

это связано е очищением границ зерна аустенита от вредных примесей благодаря большему их растворению в

объеме зерна при высокотемпературном нагреве, Все методы, вызывающие измельчение зерна аустенита, — микролегирование (V, Ti, Nb и др.), высокие скорости нагрева и др. — повышают конструктивную прочность стали. Крупное зерно стремятся получить только в электротехнических (трансформаторных) сталях, чтобы улучшить их магнитные свойства (см. с. 369).

Выявление и определение величины зерна. Величина зерна определяется различными методами (ГОСТ 5639—65): цементацией, окислением по ферритной или цементитной сетке и травлением границ зерен. По методу цементации образец доэвтектоидной стали насыщают углеродом при 930 °С в течение 8 ч (см. рис. 107). При этом содержание углерода в аустените, находящемся в поверхностной зоне, достигает заэвтектоидной концентрации. При последующем медленном охлаждении по границам зерна аустенита выделяется вторичный цементит, образующий сплошную сетку, по которой после охлаждения определяют величину бывшего зерна аустенита (рис. 110, а).

При использовании других методов выявления зерна температуру нагрева принимают равной температуре закалки или на 20—30 °C выше этой температуры. Время выдержки при таком нагреве 3 ч.

В случае применения метода окисления металлографический шлиф нагревают в защитной атмосфере и после окончания выдержки в печь подают воздух. Шлиф охлаждают в воде, полируют и травят 15 %-ным раствором соляной кислоты в этиловом спирте. Границы бывших зерен аустенита выявляются на шлифе сеткой оксидов (рис. 110, б). Метод, основанный на образовании сетки феррита, применяют для доэвтектоидных сталей, а метод образо-

162

вания еетки цементита — для заэвтектоидных. Образцы нагревают до заданной температуры и охлаждают сO скоростью, обеспечивающей образование сетки феррита или цементита (рис. 110, в). Нередко величину зерна аустенита определяют на образцах после закалки и отпуска при 225—550 °С путем травления микрошлифа в растворе пикриновой кислоты с добавлением 0,5— 1,0 % моющих средств «Астра», «Новость» и др. (pис. 110, г). Более перспективный метод определения величины зерна аустенита — при помощи специальных микроскопов е нагревательной вакуумной камерой. В этом случае непосредственно наблюдают зерно аустенита, существующее при высоких температурах (см. рис. 106, 110, д). Величину зерна определяют под микроскопом при увеличении в 100 раз. Зерна, видимые на шлифе, сравнивают G эталонными изображениями, приведенными на рие. 111. Величину зерна определяют баллами. Между номером зерна N (баллом) и количеством зерен п, помещающихся на 1 мм2 шлифа, существует следующая зависимость: п = 2N+3.

Стали с номером зерна 1—5 относят к крупнозернистым, a с номером зерна 6—15 к мелкозернистым.

3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕВРАЩЕНИЯ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА (ДИАГРАММА ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ АУСТЕНИТА)

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше Ас3 (для доэвтектической стали) или выше Аст (для заэвтектоидной стали), переохладить до температуры ниже Ar1, то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращение.

Для описания кинетики превращения переохлажденного аустенита пользуются экспериментально построенными диаграммами время — температура — степень распада или диаграммами изотермического превращения аустенита, т. е. превращения, протекающего при постоянной температуре 1.

Для излучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита, а затем быстро охлаждают (переохлаждают аустенит) до температуры ниже Ar1, например до 700, 600, 500, 400, 300 °С и т. д., и

выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита.

Результаты исследования при постоянной температуре характеризует кривая, показывающая количество распавшегося аустенита в зависимости от времени, прошедшего с момента начала распада. Как видно из рис. 112, а, в течение некоторого промежутка времени (Н1, Н2, Н3) распад аустенита экспериментально не фиксируется. Этот период называют

инкубационным.

1В литературе на английском языке эти диаграммы называют ТТТ: time — temperature

—transformation.

165

По истечении этого периода аустенит начинает распадаться с образованием более стабильных структур. Скорость распада сначала быстро увеличивается, а затем постепенно замедляется. Через некоторое время (К1, К2, К3) процесс распада полностью

заканчивается или приостанавливается. Построение таких кривых после охлаждения до разных температур (t1 t2, t3 и т. д.) позволяет получить диаграмму изотермического превращения аусте-нита (рис. 112, б). Для этого нужно отрезки времени, соответствующие началу (Н1, Н2, Н3) и концу распада аустенита (К1, К2, К3 и т. д.) или какой-то заранее принятой степени превращения для каждой из исследуемых температур (t1 t2, t3), перенести на график, на котором по оси абсцисс откладывается время 1, а по оси координат

— температура, и одноименные точки соединить плавными кривыми. В диаграмме изотермического превращения аустенита (рис. 112, б) кривая 1 характеризует начало распада аустенита, а кривая 2 показывает время, необходимое для полного распада аустенита.

Область, лежащая левее кривой начала распада аустенита (см. рис. 112, б), определяет продолжительность инкубационного периода; в интервале температур и времени, соответствующих этой области, существует переохлажденный аустенит, практически не претерпевающий заметного распада. Длительность инкубационного периода характеризует устойчивость переохлажденного аустенита. С увеличением переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума (t2), и далее вновь возрастает (см. рис. 112, б).

Уменьшение устойчивости аустенита и роста скорости его превращения с увеличением степени переохлаждения объясняется возрастанием разности свободных энергий (энергии Гиббса) аустенита и образующимися фазами (структурой). При этом, как уже указывалось выше, уменьшается размер критического зародыша, способного к росту, и возрастает количество объемов в исходном аустените, в которых могут возникнуть зародыши

1 Шкалу времени для удобства построения чаще выбирают логарифмической, так как время распада может колебаться в широких пределах — от долей секунды до десятков минут и даже часов.

166

новой фазы. Повышение устойчивости аустенита и уменьшение скорости его превращения при больших степенях переохлаждения вызывается снижением скорости образования и роста новых фаз вследствие замедления процесса диффузии.

При переохлаждении аустенита до температуры, равной или ниже точки МН (см. рис. 112, б), диффузионные процессы полностью подавляются. При более низких температурах протекает бездиффузионное превращение аустенита в структуру закаленной стали — мартенсит.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области, или ступени,

превращения (см. рис. 112, б): перлитную, промежуточного превращения (промежуточного между перлитным и мартенситным превращением) и мартенситную.

Знание этих превращений важно для решения многих практических задач. Перлитное превращение протекает в процессе отжига стали (см. с. 194), а мартенситное — при закалке стали (см. с. 200). Промежуточное превращение важно для понимания так называемой изотермической закалки стали (см. c. 214).

4. ПЕРЛИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ

Перлитное превращение переохлажденного аустенита протекает при температурах Ar1 — 500 °С (см. рис. 112). В процессе превращения происходит полиморфное γ → α- превращение и диффузионное перераспределение углерода в аустените, что приводит к образованию ферритно-цементитной структуры:

Аустенит, практически однородный по концентрации углерода, распадается с образованием феррита (почти чистое железо) и цементита, содержащего 6,67 % С, т. е. состоит из фаз, имеющих различную концентрацию углерода (рис. 113). Ведущей, в первую очередь возникающей фазой при этом является карбид (цементит). Его зародыши, как правило, образуются на границах зерен аустенита.

В результате роста частиц этого карбида прилегающий к нему объем аустенита обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфное γ → α-превращение. При этом кристаллики феррита зарождаются на границе с цементитом, который облегчает этот процесс.

Последующий рост ферритных пластинок ведет к обогащению окружающего аустенита углеродом, что затрудняет дальнейшее развитие γ → α-превращения. В обогащенном таким образом углеродом аустените зарождаются новые и растут ранее возникшие пластинки цементита. Вследствие этих процессов образования и роста частиц карбидов вновь создаются условия для возникнове-

167

тоидной стали в верхнем интервале температур сначала выделяются избыточные фазы — феррит (в доэвтектоидной стали) или избыточный цементит (в заэвтектоидной стали).

Начало выделения избыточного феррита (цементита) на диаграмме изотермического распада отмечается дополнительной кривой (рис. 116, б и в). Количество выделяющегося избыточного феррита (или цементита) уменьшается с понижением температуры, и при некоторой степени переохлаждения распад начинается непосредственно с образования зародышей эвтектоида или, точнее, квазиэвтектоида, т. е. структуры эвтектоидного типа, но отличающейся иным составом, чем перлит (эвтектоид).

Так как с понижением температуры количество выделяющегося избыточного феррита (цементита) уменьшается, то квазиэвтектоид сорбит и троостит в доэвтектоидных сталях содержит углерода <0,8 %, а в заэвтектоидных сталях >0,8 %.

Увеличение содержания углерода в аустените доэвтектоидной концентрации несколько повышает его устойчивость (кривые изотермической диаграммы сдвигаются вправо; см. рис 116).

5. МАРТЕНСИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ В СТАЛИ

Природа мартенсита. Мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α-железе. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в α-железе при 20 °С не превышает 0,002 %, то его содержание в мартенсите может быть таким же, как в исходном аустените, т.е. может достигнуть 2 ,14 % .

Атомы углерода занимают октаэдрические поры вдоль оси [001] в решетке α-железа (мартенсита) и сильно ее искажают. Мартенсит имеет тетрагональную решетку (рис. 117, а), в которой один период «с» больше другого — «а». При увеличении содержа-

170