ткм

ГЛАВА 7. ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ 7.1. Превращения в стали при нагреве

Под термической обработкой металлов и сплавов понимают совокупность операций, включающих нагрев до требуемой температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение с заданной скоростью до определѐнной температуры. Термическая обработка изменяет структуру металлов и сплавов, чем достигается получение нужных свойств. Хотя первые сведения о некоторых видах термической обработки относятся к концу третьего тысячелетия до н. э., еѐ научные основы были заложены только в XIX в. выдающимся русским металлургом бывшего Обуховского завода в Санкт-Петербурге Д.К. Черновым. Именно ему принадлежит заслуга преобразования металловедения из науки чисто описательной в науку созидающую.

Общее представление о превращениях, протекающих в стали при нагреве или охлаждении, дает диаграмма состояния Fе – Fe3С. При нагреве несколько выше критической точки Ас1 феррито-карбидная структура (перлит) превращается в аустенит. Это превращение состоит из двух процессов, которые протекают одновременно: полиморфного α→γ-перехода и растворения цементита в аустените. При нагреве эвтектоидной стали выше Ас1 образуется однофазная структура – аустенит, при нагреве до- и заэвтектоидных сталей – двухфазная: «феррит + аустенит» и «аустенит + цементит» соответственно. В доэвтектоидных сталях при нагреве в интервале температур Ас1 – Ас3 феррит постепенно превращается в аустенит, содержание углерода в котором уменьшается в соответствии с линией GS. Выше критической точки Ас3 феррит исчезает, а содержание углерода в аустените становится равным его содержанию в стали. Аналогично в заэвтектоидных сталях в температурном интервале Ас1 – Асm происходит растворение избыточного цементита. Выше критической точки Асm цементит исчезает, а содержание углерода в аустените становится равным его содержанию в стали.

Превращение перлита в аустенит протекает в результате образования зародышей аустенита и последующего их роста. Зародыши образуются на границах раздела «феррит – карбид». Поэтому чем дисперснее была структура перлита, тем будет больше зародышей аустенита, а его начальное зерно мельче. Увеличение скорости нагрева приводит к массовому возникновению зародышей аустенита, что также способствует образованию мелкого зерна.

С увеличением времени выдержки при заданной температуре или при еѐ повышении зерно, в результате собирательной рекристаллизации, увеличивается: мелкие зѐрна поглощаются более крупными, термодинамически более устойчивыми.

Склонность зѐрен аустенита к росту даже у сталей одного марочного состава может быть неодинаковой и зависит от условий их выплавки. Различает два предельных типа сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые.

В наследственно крупнозернистой стали при температурах, незначительно превышающих Ас1, наблюдается сильный рост зерна. К этой группе относятся

стали, раскисленные ферромарганцем или ферромарганцем и ферросилицием . Стали, дополнительно раскисленные алюминием, относятся к наследственно мелкозернистым. В таких сталях, даже при нагреве до 1 000–1 050 °С, зерно увеличивается незначительно. При более высоких температурах наблюдается бурный рост зерна. Такая закономерность обусловлена влиянием дисперсных частиц нитрида АlN, образующихся при раскислении алюминием. Располагаясь по границам зѐрен, они тормозят их рост. Растворение частиц нитрида при высоких температурах вызывает интенсивный рост зерна.

В двухфазных областях в интервале температур Ас1 – Ас3 и Ас1 – Асm, т. е. в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях, рост зерна аустенита сдерживается участками феррита и нерастворившимися частицами цементита.

Карбидо- и нитридообразующие элементы, такие как титан, цирконий, ванадий, ниобий и другие, образующие термодинамически прочные соединения, сильно сдерживают рост зерна аустенита. С другой стороны, труднорастворимые дисперсные частицы карбидов и нитридов выполняют роль готовых центров кристаллизации, что также приводит к формированию мелкого зерна. Марганец и фосфор способствуют росту аустенитного зерна.

По поводу понятий «наследственно мелкозернистая сталь» и «наследственно крупнозернистая сталь» необходимо сделать следующее замечание. Эти понятия не означают, что та или иная сталь всегда имеет крупное или всегда мелкое зерно. Они указывают на то, что при нагреве до определенных температур крупнозернистая сталь приобретает крупное зерно при более низкой температуре, чем сталь мелкозернистая.

Увеличение размера зерна понижает прочность (ζВ, ζТ), пластичность (δ, ψ), резко снижает ударную вязкость, повышает порог хладноломкости. Трещиностойкость, или вязкость разрушения, К1с ведет себя аномально. Стали после закалки и низкого отпуска при крупности зерна аустенита 10–15 мкм имеют минимальную величину К1с. При других размерах зерна, как больших, так и меньших, трещиностойкость возрастает. Измельчение зерна повышает конструктивную прочность стали. Крупное зерно получают только в электротехнических сталях с целью повышения их магнитных свойств.

Величина действительного аустенитного зерна, т. е. зерна, полученного в результате той или иной термической обработки, определяется различными методами, с которыми можно познакомиться в рекомендуемой литературе.

7.2. Изотермический распад аустенита

Сталь со структурой аустенита, быстро охлаждѐнная до температуры ниже Аr1 (т. е. переохлаждѐнная), оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращение. Для его описания строят так называемые диаграммы изотермического превращения аустенита, отражающие степень распада аустенита во времени при разных температурах. Образцы стали, быстро

Раскислители – химические элементы или сплавы, понижающие концентрацию кислорода в стали. – Прим. авт.

охлаждѐнные до определѐнной температуры, выдерживают при этой температуре, контролируя количество распавшегося аустенита.

На рис. 31 приведена диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали, где П, Б, М – области перлитного, бейнитного и мартенситного превращений; Мн – температура начала превращения аустенита в мартенсит; Мк – температура конца превращения. Левая С-образная кривая характеризует начало распада, правая кривая показывает время, когда процесс распада полностью заканчивается (или приостанавливается). Область, расположенная левее кривой начала распада, определяет продолжительность инкубационного периода, в течение которого распад аустенита экспериментально

новых фаз и их роста в результате замедления диффузионных процессов.

При температурах, соответствующих точке МН и более низких, процессы диффузии полностью подавляются. Происходит сдвиговое бездиффузионное фазовое превращение аустенита в структуру закалѐнной стали, называемую мартенситом. Мартенситное превращение обусловливается упорядоченным перемещением атомов, причем такие перемещения малы по сравнению с междуатомным расстоянием.

В зависимости от степени переохлаждения различают три области превращения: перлитную, мартенситную и бейнитную (промежуточную) между ними, в которых соответственно протекают перлитное, мартенситное и бейнитное превращения.

Рассмотрим эти превращения.

7.2.1. Перлитное превращение

Переохлаждѐнный аустенит в температурном интервале от Аr1 до 500 °С (см. рис. 31) претерпевает превращение, в процессе которого происходит γ→α-

переход и диффузионное перераспределение углерода в аустените, приводящее к образованию структуры из феррита и цементита:

А → Ф + Fe3C.

Ведущей, т. е. образующейся в первую очередь, фазой является цементит, зародыши которого возникают, как правило, на границах зѐрен аустенита. Рост цементитных частиц сопровождается обеднением прилегающих к ним аустенитных зѐрен углеродом. Устойчивость аустенита снижается, и он претерпевает γ→α-превращение. Так на границе с цементитом зарождаются кристаллики феррита. Последующий рост кристалликов феррита приводит к обогащению окружающего их аустенита углеродом. В результате этого развитие γ→α-превращения затрудняется, а в обогащѐнном таким образом углеродом аустените зарождаются новые и растут ранее возникшие пластинки цементита. В результате такого механизма образования и роста фаз цементита и феррита формируется перлитная структура, представляющая собой чередование пластин цементита и феррита.

В зависимости от степени переохлаждения (скорости охлаждения) образуются различные пластинчатые структуры эвтектоидного типа. В условиях, близких к равновесным (превращение при температуре около 700 °С) образуется собственно перлит, в котором межпластиночное расстояние (так называется сумма толщин пластин цементита и феррита) составляет 0,5–1 мкм.

При большей степени переохлаждения в изотермических условиях при 650–600 °С, а также при непрерывном охлаждении со скоростью несколько десятков градусов в минуту образуется более тонкодисперсная структура – сорбит, названная по имени английского учѐного Г. Сорби (Н. Sorby). Межпластиночное расстояние в сорбите составляет 0,2–0,4 мкм.

В нижней области температурного интервала перлитного превращения 550–500 °С переохлаждѐнный аустенит распадается с образованием чрезвычайно дисперсной перлитной структуры (Δ = 0,1–0,15 мкм) – троостита, названной по имени французского химика Л. Трооста (L. Troost). Деление структур на перлит, сорбит и тростит условное. Указанные ферритоцементитные структуры различаются лишь степенью дисперсности. Однако тонкодифференцированная структура может образоваться в результате быстрого охлаждения не только в основе эвтектоидного, но и неэвтектоидного состава. Такую структуру, состоящую как будто из одного эвтектоида, называют квазиэвтектоидом (псевдоэвтектоидом).

Изотермическое превращение аустенита в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях отличается от превращения аустенита в эвтектоидной стали. В этих сталях распаду аустенита будет предшествовать предварительное выделение феррита в доэвтектоидной стали и цементита в заэвтектоидной. С понижением температуры распада количество избыточной фазы – феррита или цементита – уменьшается. При некоторой степени переохлаждения распад начинается сразу с образования эвтектоида, а точнее – структуры эвтектоидного типа – квазиэвтектоида: «сорбита» и «троостита».

Очевидно, что избыточный феррит (цементит) не успевает выделяться самостоятельно и входит в эвтектоид, утолщая эвтектоидные частицы феррита.

Химический состав такого эвтектоида будет иной, чем состав перлита (эвтектоида): в доэвтектоидных сталях сорбит и троостит содержат меньше 0,8 % углерода, а в заэвтектоидных – больше. Легирующие элементы (кроме кобальта) повышают устойчивость переохлаждѐнного аустенита и сдвигают кривые начала и конца превращения на диаграмме изотермического распада вправо.

С переходом от перлита к сорбиту и далее трооститу, т. е. с увеличением степени дисперсности феррито-цементитной структуры (с понижением температуры распада), твѐрдость, пределы прочности, текучести и выносливости возрастают, относительное удлинение и относительное сужение несколько снижаются.

7.2.2. Мартенситное превращение

Мартенсит – упорядоченный пересыщенный твѐрдый раствор внедрения углерода в α-железе. Назван по имени немецкого металловеда А. Мартенса (A. Martens). При комнатной температуре в равновесном состоянии предельная растворимость углерода в α-железе составляет по разным данным от 0,002 до 0,006 %, а в мартенсите может быть такой же, как в исходном аустените, т. е. достигнуть 2,14 % (см. рис. 30). Внедрѐнные атомы углерода сильно искажают решетку α-железа. Решѐтка мартенсита тетрагональная. Высота тетрагональной призмы «с» и размер ее основания «а» связаны соотношением c/a = 1 + 0,046·C, где С – содержание углерода в аустените в массовых процентах. Следовательно, с увеличением содержания углерода в аустените отношение с/а, или по-другому тетрагональность решѐтки, увеличивается.

Для того чтобы мартенситное превращение началось, необходимо быстро переохладить аустенит до таких температур, при которых диффузионные процессы становятся невозможными. Температура, соответствующая началу превращения аустенита в мартенсит, в отечественной литературе обозначается Мн в иностранной – Мs, (от англ. start – начало). Для того чтобы превращение развивалось, необходимо дальнейшее охлаждение ниже температуры Мн. В случае прекращения охлаждения мартенситное превращение практически останавливается. В этом заключается особенность этого превращения и его отличие от диффузионного перлитного, протекающего в изотермических условиях ниже точки Аr1.

По достижении определѐнной температуры превращение аустенита в мартенсит прекращается. Точка конца превращения в отечественной литературе обозначается Мк, в иностранной – Мf (от англ. finish – конец). Положение точек начала и конца мартенситного превращения определяется химическим составом аустенита и не зависит от скорости охлаждения. Чем больше в стали углерода, тем ниже точки Мн и Мк. Легирующие элементы – хром, молибден, вольфрам, марганец, никель – понижают положение точек Мн и Мк. Количество образовавшегося мартенсита увеличивается с понижением температуры. Поэтому в закалѐнных углеродистых и легированных сталях, имеющих низкую точку Мк (ниже 20 °С), достижение которой затруднительно, содержится остаточный аустенит, количество которого может достигать 30–50 и даже 100 %.

Как уже отмечалось, мартенситное превращение носит бездиффузионный характер и осуществляется в процессе перестройки решѐтки путем сдвига атомов на расстояния, не превышающие межатомных. В начале превращения на границе мартенсита с аустенитом существует сопряжѐнность решѐток (когерентность), и собственно межфазной границы не образуется. В этот момент число возникающих в единицу времени и в единице объѐма зародышей мартенсита очень велико, а скорость их роста составляет около километра в секунду. Поскольку удельные объѐмы аустенитной и мартенситной фаз разные, рост кристалла мартенсита сопровождается увеличением упругих напряжений в области когерентного сопряжения. Это приводит к пластической деформации, нарушению сопряжѐнности решѐток и образованию межфазной границы. Переход атомов из аустенита в мартенсит становится невозможным, и рост мартенситного кристалла прекращается.

Различают пластинчатый и реечный мартенсит. Кристаллы,

представляющие собой широкие пластины, относятся к пластинчатому мартенситу. В плоскости шлифа они выглядят в виде игл. Поэтому пластинчатый мартенсит называют также игольчатым. Кристаллы мартенсита могут формироваться в форме тонких реек. Такой тип мартенсита называют реечным. Обычно образуется пакет из параллельно расположенных реек. Между рейками-кристаллами мартенсита в легированных сталях нередко сохраняются прослойки остаточного аустенита. В отличие от игольчатого, такой мартенсит называют массивным.

Реечный мартенсит образуется в низко- и среднеуглеродистых сталях, пластинчатый – в высокоуглеродистых сталях.

Размеры кристаллов мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита. Сначала образуются кристаллы максимальной протяжѐнности, соответствующей поперечному размеру аустенитного зерна. Затем, при более низких температурах, уже в более стеснѐнных условиях образуются кристаллы меньших размеров.

Мартенсит обладает высокими твѐрдостью и прочностью. Чем больше углерода в стали, тем выше твѐрдость. Высокая твѐрдость (прочность) мартенсита обусловлена образованием пересыщенного углеродом твѐрдого раствора, высокой плотностью дислокаций, достигающей 1010–1012 см-2, образованием атмосфер Коттрелла на дислокациях и другими причинами. Характерные особенности мартенсита – его хрупкость и наибольший удельный объѐм по сравнению с другими структурными составляющими стали. Поэтому при закалке возникают большие внутренние напряжения, которые приводят не только к деформации изделий, но и появлению трещин.

7.2.3. Бейнитное превращение

Бейнитное, или промежуточное, превращение протекает в температурном интервале между областями перлитного и мартенситного превращений, когда самодиффузия атомов железа практически подавлена, а диффузия атомов углерода еще высока. Поэтому промежуточное превращение сочетает в себе элементы диффузионного перлитного и бездиффузионного мартенситного

термообработке углеродистой эвтектоидной стали. Кривые охлаждения наложены на диаграмму изотермического распада аустенита.

касающаяся выступа кривой начала изотермического распада аустенита. Эту скорость называют критической скоростью закалки. Она является очень важной характеристикой стали и определяет выбор охлаждающих сред (вода, масло, воздух). Легирование уменьшает критическую скорость закалки. Так, если критическая скорость закалки углеродистых сталей составляет 200– 800 °С/с, для многих легированных сталей она снижается до 5–20 °С/с. Чем больше устойчивость аустенита, тем меньше критическая скорость закалки.

Бейнит в условиях непрерывного охлаждения углеродистой стали, как правило, не образуется.

7.4. Превращения в закалѐнной стали при нагреве (отпуск стали)

Мартенсит и остаточный аустенит, составляющие типичную структуру закалѐнной стали, являются неравновесными фазами. При нагреве они переходят в более устойчивое состояние, распадаясь на феррито-цементитную смесь. Поскольку этот распад носит диффузионный характер, особенности его протекания будут определяться температурой нагрева. Можно выделить 4 типа превращений, каждый из которых протекает в определѐнном интервале температур.

Первое превращение заключается в распаде мартенсита. Оно протекает в две стадии. На первой стадии, при температурах до 150 °С, происходит выделение из α-твѐрдого раствора (мартенсита) углерода в виде частиц ε- карбидов с гексагональной решѐткой. Процесс зарождения карбидов начинается в областях с повышенной свободной энергией: в районах дефектов строения, где возможно скопление атомов углерода и на границах кристаллов мартенсита. Поставщиком углерода при образовании карбидов является α-твѐрдый раствор,

т. е. мартенсит. Поэтому концентрация углерода в участках мартенсита, окружающих частицы карбидов, резко уменьшается, в то время как в более удалѐнных участках она сохраняется исходной.

Таким образом, в результате низкотемпературного отпуска в стали присутствуют, кроме выделившихся ε-карбидов, два типа мартенсита – с низкой и более высокой концентрацией углерода. Образование ε-карбидов вместо более стабильного цементита Fе3С обусловлено тем, что сопряжение решѐток α- раствора и ε-карбида лучше. Они когерентно связаны между собой. Поэтому образование критического зародыша ε-карбида более вероятно по сравнению с

цементитом Fе3С.

На этой стадии отпуска аустенит в структуре сохраняется и изменений не претерпевает. На второй стадии распада мартенсита, протекающей при 150– 350 °С, в условиях возросшей подвижности атомов углерода, продолжается выделение карбидов. Одновременно происходит их укрупнение и превращение ε-карбидов в цементит. В конечном счѐте при температуре около 350 °С содержание углерода в α-твѐрдом растворе становится близким к равновесному, а степень тетрагональности – к единице. Структуру, которую получают в результате отпуска ниже 350 °С, называют мартенситом отпуска. От мартенсита закалки отпущенный мартенсит отличается меньшей концентрацией в нѐм углерода, включением дисперсных ε-карбидов, когерентно связанных с решѐткой мартенсита и имеющих форму тонких пластинок. В результате распада мартенсита при отпуске объѐм уменьшается.

Второе превращение при отпуске связано с распадом остаточного аустенита. Температурный интервал этого превращения сильно зависит от марки термообрабатываемой стали и колеблется в широких пределах: от 200– 300 °С при отпуске высокоуглеродистых и некоторых легированных среднеуглеродистых сталей до 500–600 °С для высоколегированных сталей. Остаточный аустенит превращается в нижний бейнит, т. е. структуру, состоящую из низкоуглеродистого мартенсита и частиц карбидов. Эта структура аналогична структуре, образующейся при тех же температурах при отпуске закалѐнного мартенсита.

Третье превращение протекает при 300–450 °С. На этой стадии завершается выделение углерода из мартенсита, и тетрагональная структура переходит в кубическую – феррит. Кроме того, завершается карбидное превращение, приводящее к полному переходу ε – FexC в цементит Fe3С. Когерентность решѐток феррита и карбида нарушается и происходит обособление фаз. Полученная в результате отпуска при температуре 300–450 °С структура представляет высокодисперсную феррито-цементитную смесь, по свойствам соответствующую трооститу. Эту структуру называют трооститом отпуска.

При нагреве выше 450 °С интенсифицируются процессы сфероидизации и коагуляции карбидов. Это четвертое превращение при отпуске стали. Очень тонкая феррито-цементитная структура – троостит отпуска при температуре 500–600 °С превращается в более грубую – сорбит отпуска. Форма ферритных зѐрен также становится равноосной. При температурах, близких к критической

точке Ас1, сорбит отпуска превращается в ещѐ более грубую структуру, получившую название перлит отпуска, или зернистый перлит (зернистый цементит).

Таким образом, изменяя температуру отпуска закалѐнной стали, можно получить различные структуры – от мартенсита до перлита и соответствующие свойства. Образование зернистых структур способствует повышению предела текучести, ударной вязкости и улучшению других свойств стали. Во время отпуска происходит снятие внутренних напряжений.