2.2 Влияние величины зерна на свойства стали

От размера зерна аустенита, образовавшегося при нагреве, 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. Величина зерна практически не влияет на механические свойства, получаемые при испытании на статическое растяжение и на твердость. Рост зерна резко снижает ударную вяз­кость и повышает порог хладноломкости. Крупнозернистая сталь более склонна к закалочным трещинам, деформации и короблению. Разнозернистость стали снижает конструкционную прочность и вызывает охрупчивание.

Размер зерна аустенита определяют различными методами: це­ментацией, окислением, по ферритной или цементитной сетке, трав­лением границ зерен.

Величину зерна аустенита определяют на образцах после закал­ки и отпуска методом травления микрошлифов в растворе пикриновой кислоты с добавлением 0,5-1 % моющих средств. Величину зерна ау­стенита определяют под микроскопом при увеличении в 100 раз, сравнивая видимые на микрошлифе зерна с эталонными, предусмот­ренными стандартной шкалой величины зерна. Величину зерна оце­нивают баллами. Существуют эталонные шкалы для определения балла зерна. Зерна с NN 1-5 являются крупными, NN 6-15 - мелкими.

2.3. Превращения в стали при охлаждении

а) Распад переохлажденного аустенита. Сущность этого процесса можно выразить схемой

Fe _γ (C) → Fe _α (C) + Fe₃C

При превращении аустенита в перлит имеют место 2 процесса:

• перестройка решетки ГЦК-Fe _γ (C) в решетку ОЦК- Fe _α (C);

• выделение углерода из аустенита и образование пластин цементита, а затем феррита.

Распад аустенита может происходить только при температурах ниже 727 °С, т.е. при определенных переох­лаждениях. От скорости охлаждения зависит величина Т^–, а также скорость превращения и строе­ние продуктов распада аустенита. Закономерности этого процесса характеризуются диаграммой изотермического превращения аустени­та. Если нагретую до состояния аустенита сталь быстро охладить до температуры ниже Т_ на Т^–, а затем выдержать изотермически при Т^– = сonst, то превращение аустенита в феррито-цементитную смесь будет происходить в течение т.н. инкубационного периода _i.

Кривые зависимости степени превращения  от времени  в зависимости от величины переохлаждения Т^– свидетельствуют о нали­чии критического переохлаждения Т^–_к характерного тем, что при увеличении переохлаждения до Т^–_к , процесс распада ускоряется, а время распада _р (включая и инкубационный период _i) уменьшается. А при росте переохлаждения выше Т^–_кр ( Т^– > Т^–_кр) процесс замедляется, а времена распада увеличиваются. По экспериментальным кривым  () при разных переохлаждениях Т^– строят диаграмму изотермического распада аустенита .

Рис. 2.5. Принцип построения диаграммы распада аустенита

Принцип построения этой диаграммы в координатах переохла­ждение Т^– - время в логарифмических координатах (1n  ) либо температура Т°С превращения – время (1n  ) показан на рис. 2.5,б. Время _i^к при Т^–_кр (оа_з) называют устойчивостью аустенита.

Устойчивость аустенита ( _i^к ) зависит от содержания углерода и легирующих элементов и является важной характеристикой при термообработке стали.

Приведенная диаграмма изо­термического распада аустенита характерна для эвтектоидной стали.

Если нанести на диаграмму отрезки кривых аустенитно-перлитного превращения, соответствующие началу превращения (время инкубационного периода) и концу превращения по мере увеличения DТ^- , то такая диаграмма будет иметь вид, приведенный на рисунке 2.5,б.

Исследования показали, что при температуре Т=550-600 ⁰С аустенит превращается в перлит за наиболее короткое время.

Рис. 2.6. Кривые зависимости скорости кристаллизации (с.к.) и числа центров кристаллизации (ч.ц.) от переохлаждения ΛТ

На рис. 2.6. показана зависимость скорости роста и числа центров кристаллизации перлита от переохлаждения Т^-. Из этих кривых видно, что:

• малой степени переохлаждения (при почти равновесной кристаллизации, т.е. малой скорости охлаждения) соответствует очень малое число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов.

• наибольшее число центров кристаллизации соответствует переохлаждению DТ^-≈200 ⁰С.

В зависимости от Т^- различают три области превращения аустенита:

- перлитную;

- промежуточную;

- мартенситную.

а) перлитное превращение. Перлитная область распространяется от Т=727°С до ~ 550 °С.

Распад аустенита с обра­зованием перлита является диф­фузионным процессом (эвтектоидный распад) и развивается в результате флуктуации состава. Как и любой диффузионный процесс, распад аустенита начинается пу­тем возникновения зародышей и их роста с определенной скоро­стью. Образование центров кристаллизации перлита происходит в участках аустенита с наиболее дефектным строением (границы зерен и зерна с дислокациями). Рост зародышей цементита, входящего в перлит, происходит за счет диффузии углерода из прилегающего аустенита. Это приво­дит к обеднению углеродом аустенита и способствует превращению его в феррит за счет полиморфного превращения ГЦК в ОЦК. По­этому рядом с пластинками цементита образуются пластинки ферри­та. Схема образования аустенита в перлит показана на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Схема образования перлита из аустенита

Межпластинчатое расстояние l₀ - это сумма толщин пластинок цементита и феррита. С уменьшением межпластинчатого расстояния изменяются механические свойства - повышается прочность, твер­дость и уменьшается пластичность. Таким образом

Перлит - продукт эвтектоидного распада аустенита, обра­зующиеся при 650-700°С (крупная ферритно-цементитная смесь).

Сорбит - мелкая ферритно-цементитная смесь, образующаяся при 600-650°С.

Троостит - еще более мелкая ферритно-цементитная смесь, об­разующаяся при 600-550°С.

С увеличением степени дисперсности фаз увеличивается их твердость (табл. 2.1).

Получающаяся при распаде аустенита ферритно-цементитная смесь, содержащая углерода меньше (либо больше) 0,8 %, называется квазиэвтектоидом (ложным эвтектоидом). Такой эвтектоид образует­ся из до- и заэвтсктоидной стали.

Таблица 2.1

Твердость фаз перлитной области

Температура превращения Т, 0С	Скорость превращения τ, 0С/с	Структура	Межпластинчатое расстояние l0, мкм	Твердость НВ
675	1-5	Тонкопластинчатый перлит	1-0,5	250
650-600	30-50	сорбит	0,3-0,4	300
600-550	150	троостит	0,1-0,2	400

б) Мартенситное превращение.

Мартенсит является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в -железе. При большом Т^- - углерод не успевает выделиться из твер­дого раствора (аустенита) в виде частиц цементита. Решетка  -Fe (ГЦК) перестраивается в решетку  -Fe (ОЦК), а углерод остается внутри решетки  -Fe , в результате чего получается пересыщен­ный твердый раствор углерода в  -железе, показанному на рис. 2.9. Значительное пересыщение -ОЦК решетки углеродом вызывает изменение решетки на тетрагональную, элементарной ячейкой которого является прямоугольный параллеле­пипед. Атомы углерода располагаются в такой ячейке в междоузлиях или в центре основания а или в середине удлиненных ребер с . В кристаллической решетке мартенсита имеется избыток углерода по сравнению с тем, который может раствориться в феррите (0,02%) и это приводит к искажению формы кристаллической решетки, т.е. у мартенсита не кубическая решетка, а тетрагональная объемоцентрированная. Степень тетрагональности зависит от концентрации углерода в стали.

На рис. 2.8 показано изменение параметров решетки мартенсита от содержания углерода в стали.

Характерной особенностью мартенситного превращения явля­ется его бездиффузицонный характер.

Превращение аустенита в мартенсит происходит в определен­ном интервале температур. Инкубационный период _i не зависит от скорости охлаждения. Характерной особенностью мартенситного пре­вращения является то, что даже при температуре конца превращения (точка М_к) полного образования мартенсита не происходит. Аустенит частично остается и называется остаточным аустенитом (А_ост).

Рис. 2.8. Изменение параметров решетки аис мартенсита при увеличении содержания углерода в стали

Рис. 2.9. Схема перестройки ГЦК-решетки в ОЦК при мартенситном превращении

Если в мартенситном превращении охлаждение прекратить и произвести изотермическую выдержку, то превращение аустенита в мартен­сит сразу прекращается (в отличие от перлитного, которое полностью протекает при постоянной температуре ниже а₁). Аустенитно-мартенситное превращение сопровождается увеличением объема.

Таким образом, все структуры стали можно расположить в ряд по убыванию объема: мартенсит-троостит-сорбит-перлит-аустенит.

Мартенсит образуется в виде пластин со скоростью более 1000 м/с, но не переходит границу зерна.

Механизм мартенситного превращения описан акад. Г.В.Курдюмовым. Согласно этому механизму атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются одни относительно других на расстояния не выше межатомных.

Микроструктура мартенсита представляет собой игольчатую структуру. Кристаллы мартенсита – это пластины, сужающиеся к концу, расположенные под углом 60 или 120 ⁰ (рис. 2.10). Их величина зависит от величины кристаллов аустенита.

Рис. 2.10. Микроструктура мартенсита

в) Промежуточное (бейнитное) превращение.

Область промежуточного превращения между перлитным и мартенситным называют бейнитным (от 550 °С до ~ 300 °С). Определяющей особенностью бейнитного превращения является то обстоятельство, что оно протекает в интервале температур, когда практически отсутствует диффузия железа, но интенсивно протекает диффузия углерода. Превращение состоит в том, что внутри аустенита происходит диффузионное перераспределение атомов углерода и участки аустенита, обогащенные углеродом, превращаются в цементит. Превращение же обедненного аустенита в феррит происходит по сдвиговому механизму. Образующиеся кристаллы феррита имеют игольчатую структуру. Бейнит - это игольчатый троостит. Эта область сочетает элементы перлитного и мартенситного превращения. Ферритная фаза в бейните является пе­ресыщенным раствором углерода в  -Fe.

Таким образом, бейнит содержит ферритную фазу (-фазу), частицы цементита и остаточный аустенит. Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависит от температуры превращения:

• до 500 ⁰С l₀ = 0,12 мкм – верхний бейнит;

• до 300 ⁰С l₀ = 0,08 мкм – нижний бейнит.

Свойства верхнего и нижнего бейнитов отличны. У верхнего бейнита наблюдается плохое сочетание механических свойств – недостаточная прочность при низкой пластичности. У нижнего – высокая прочность при хорошем сочетании с пластичностью и вязкостью. Твердость нижнего бейнита – около 500 кГ/мм².