Превращения в стали при нагреве и охлаждении
В соответствии с диаграммой состояния системы «железо – углерод» (рис. 4) стали по оси концентраций занимают область в интервале содержания углерода от 0,05 % до 2,14% С. Как для углеродистых, так и легированных сталей свойства определяются не только химическим составом, но в большей степени изменением структурно-фазового состава и дислокационной структуры, которое может быть достигнуто путем использования таких ключевых факторов, как наличие в них полиморфных превращений или зависящей от температуры ограниченной взаимной растворимости компонентов. Для того, чтобы при термообработке стали удалось реализовать возможности представляемые полиморфными превращениями, ее необходимо нагревать выше температур, при которых эти превращения могут происходить, формируя новое структурно-фазовое состояние (вторичная кристаллизация).
Температура превращения перлит → аустенит (П → А) является первой критической точкой (Ас1). При этой температуре, вследствие аллотропического превращения Feα → Feγ, образуется более равновесная, чем перлит, фаза аустенита, обладающая в этих условиях меньшим запасом свободной энергии. В аустените растворяется весь находящейся в перлите углерод, так как растворимость его в этой фазе значительно выше, чем в феррите (Ф).
Рис. 4 Диаграмма состояний железо – углерод
Таким образом, при нагреве стали до точки Ас1, (изотерма PSK) после определенной выдержки, необходимой для протекания приводящих к равновесию диффузионных процессов, сталь приобретает равновесный двухфазный состав соответственно: Ф0,02 + А0,8 (доэвтектоидная сталь) или А0,8 + Ц (заэвтектоидная сталь). Цифра внизу символа фазы соответствует концентрации углерода в ней, а буква «Ц» является символом цементита.
При дальнейшем повышении температуры поддержание равновесия между образовавшимися фазами обеспечивается диффузионными изменениями их химического состава. Так, в доэвтектоидных сталях составы феррита и аустенита изменяются соответственно по линиям PG и SG, причем количество феррита постоянно уменьшается, а аустенита растет и при температурах выше линии SG происходит полная аустенизация.
В заэвтектоидных сталях равновесие между аустенитом и цементитом с ростом температуры поддерживается за счет растворения цементита в аустените, приводящего к обогащению аустенита углеродом и уменьшению количества цементита. При температурах выше линии SE также происходит полная аустенизация. Таким образом, на линиях SG и SE находятся критические температуры, при которых сталь приобретает равновесную однофазную структуру аустенита.
Точки, лежащие на линиях SG и SE, принято обозначать Ас3. При дальнейшем нагреве доэвтектоидных сталей, начиная с температур, равных Ас3 + (30 – 50) ºС, наблюдается заметный рост зерна аустенита, приводящих к снижению прочности термически обработанной стали. В заэвтектоидных сталях снижение прочности, особенно, твердости происходит начиная с температур нагрева до Ас1 + (50 – 80) ºС за счет растворения и снижения объемной доли вторичного цементита. Все это предопределяет температуру нагрева стали при термической обработке, которую обычно ограничивают вышеуказанными значениями.
В соответствии с режимом термообработки после нагрева и изотермической выдержки стали при заданной, зависящей от содержания углерода температуре, следует процесс охлаждения аустенита. При равновесном, т.е. достаточно медленном, охлаждении в аустените доэвтектоидной стали происходят структурно фазовые изменения, обратные тем, что имели место при нагреве.
По достижении определенной температуры (точки на линии SG) аустенит начинает распадаться с образованием феррита по реакции А → Ф и сталь снова будет состоять из двух фаз (Ф + А). Данный процесс протекает равновесно, если их химический состав изменяется соответственно по линиям PG и SG. Достигаемая при охлаждении критическая температура, соответствующая началу выделения феррита из аустенита, обозначается критической точкой Аr3 и ее величина зависит от содержания углерода в стали. Ниже этой температуры на диаграмме присутствует двухфазная область и когда температура достигнет изотермы PSK (критическая точка Аr1), равновесный фазовый состав стали будет представлен ферритом и аустенитом, содержащими соответственно 0,02 и 0,8 %С. Аустенит при этой температуре (727 °С) термодинамически неустойчив и некоторое переохлаждение инициирует протекание эвтектоидной реакции, при которой аустенит как фаза исчезает полностью с образованием перлита (конгломерата фаз Ф + Ц). Следует заметить, что в рассмотренных условиях феррит и цементит перлита, образующегося при распаде аустенита внутри зерна, имеет форму чередующихся пластинок. Таким образом, при равновесном охлаждении формируется исходный равновесный структурно – фазовый состав доэвтектоидной стали, состоящий из перлита и избытка феррита. Причем чем выше концентрация углерода в стали, тем меньше избыточного феррита. При эвтектоидной концентрации 0,8% углерода феррит в структуре исчезает полностью.
Аустенит заэвтектоидной стали в процессе равновесного охлаждения также претерпевает значительные изменения. Так, начиная с температур лежащих на линии SE (Аr3), из него будет выделятся избыточный углерод в виде вторичного цементита (Ц), а при достижении температуры Аr1 он по известной реакции превратится в перлит: А0,8 → Ф0,02 + Ц и сталь приобретет свою равновесную заэвтектоидную структуру, состоящую из перлита и избытка вторичного цементита. Для этих сталей чем выше содержание углерода, тем больше объемной доли вторичного цементита в структуре.
Изменяя режим охлаждения нагретой до аустенитного состояния стали (рис. 5), можно в широких приделах изменять структурно-фазовое и дислокационное строение и в результате получать требуемый в зависимости от условий эксплуатации комплекс механических и других свойств. На этом и основаны практически все известные виды термической обработки, освоенные в промышленных масштабах как в России, так и за рубежом.
Рис. 5. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита с наложенными на нее кривыми охлаждения.
Эвтектоидная сталь У8. V – скорость охлаждения, °С/сек.
А, П, С, Т, М – типы структур, где
А – аустенит, П – перлит, С – сорбит, Т – троостит, М – мартенсит.