При незначній кількості вуглецю в сталі мартенситні перетворення майже відсутні, бо мале збільшення його розчинності не змінює комірку до тетрагонального вигляду. При збільшенні вмісту вуглецю температурний інтервал (відстань між точками M_n і M_k ) зростає, а точка М наближається до осі концентрацій. При вмісті вуглецю близько 0,6% лінія точок M_k перетинає вісь концентрацій, тобто кінець мартенситних перетворень відповідає 0^oC. Подальше збільшення вмісту вуглецю приводить до того, що завершення мартенситних перетворень відбувається при від’ємних температурах.

Проте перетворення аустеніту у мартенсит не йде до кінця. У сталях завжди спостерігається залишковий аустеніт. Його кількість збільшується при зниженні точок M_n. Залишковий аустеніт є шкідливою домішкою у сталях, особливо в інструментальних.

4.4. Фазові перетворення в сталях при ізотермічному охолодженні

Для розуміння явищ, які відбуваються в металі при термічній обробці, та визначення режиму її здійснення, проводять експериментальне дослідження розпаду аустеніту при певних постійних температурах. Для спостереження за розпадом аустеніту можна скористатися тим, що він не проявляє феромагнитних властивостей, тобто є парамагнетиком.

Такий експеримент можна провести з будь-якою сталлю, але для спрощення розглянемо ізотермічний розпад аустеніту евтектоїдної сталі (0,8%). Зразок нагрівають вище температури лінії точок A₁. При цьому весь перліт перетвориться в аустеніт. Потім зразок переносять у термостати, які мають температури 700, 600, 500, 400, 300^oC . У кожному термостаті спостерігають за розпадом аустеніту і будують залежність між кількістю аустеніту, який розпався, і часом. Час на горизонтальній осі заносять у логарифмічній залежності. Це дає можливість прослідкувати за перетвореннями, які відбуваються від долі секунд до доби і більше.

При розміщенні зразка в термостат з температурою t₁ = 700^oC певний час ніяких фазових перетворень не спостерігається. Цей час на графіку (рис. 4.4) позначений точкою a₁. Його називають часом інкубаційного періоду, тобто часом, протягом якого утворюються зародки нового зерна. Потім спочатку повільно, а далі дуже швидко починає розпадатись аустеніт. У кінці розпад знову сповільнюється і завершується в точці б₁. При перенесенні нагрітого зразка в кожний послідуючий термостат характер розпаду аустеніту аналогічний, але відмінність спостерігалась у часі інкубаційного періоду. Спочатку він зменшувався (до 500^oC), а потім почав зростати.

Для зручності користування дані отриманого графіка (рис. 4.4, а) можна перенести в нову систему координат. По вертикалі відкласти температуру, а по горизонталі – логарифм часу (рис. 4.4, б).

На новій діаграмі отримуються дві С-подібні лінії. Ліва з них – відповідає початку, а права – кінцю розпаду аустеніту. Проміжок між ними показує час розпаду аустеніту.

На діаграмі ізотермічного розпаду аустеніту, в залежності від степеня переохолодження, розрізняють три температурні області перетворення: перлітну, бейнітну та мартенситну.

Перлітне перетворення відбувається по горизонтальній лінії при температурі в межах 700 – 500^oC . По цій лінії аустеніт розпадається в перліт.

При температурі 650^oC інкубаційний період і час розпаду аустеніту зменшуються, в результаті утворюється структура сорбіт – різновидність перліту (механічна суміш фериту і цементиту з більшою дисперсністю карбідної складової).

Рис. 4.4

При температурі 500^oC аустеніт перетворюється в троостит, який являє собою дуже тонку суміш фериту і цементиту. Сталь, яка має структуру трооститу має підвищену твердість, достатню міцність, хорошу в’язкість і пластичність.

При температурах у межах 400^oC відбувається розпад аустеніту у бейніт. Особливістю бейнітного перетворення є те, що воно протікає в інтервалі температур, де практично відсутня самодифузія заліза і легуючих елементів, але інтенсивно може відбуватись дифузія вуглецю. Спочатку аустеніт збіднюється із-за виділення карбідів вуглецю, що спричиняє (при досягненні певного збіднення) утворення мартенситу. Чим вища температура ізотермічної витримки, тим більше збіднюється аустеніт, тим менше утворюється мартенситу. Тому зовнішній вигляд структури бейніту суттєво залежить від температури його утворення. Бейніт розділяють на верхній і нижній, залежно від того при якій температурі він утворюється – зверху інтервалу чи знизу. Нижній бейніт за своєю природою та властивостями мало відрізняється від ізотермічного мартенситу.

Головна відмінність бейніту від перлітних структур (перліту, сорбіту, трооститу) – вміст вуглецю у фериті. При високих температурах вуглецю у фериті 0,01 – 0,02%, а при низьких – 0,1 – 0,2%. При температурах у межах 200^oC відбувається розпад аустеніту у мартенсит. Мартенсит має характерну голчасту структуру.

Таким чином, основним фактором, який визначає структуру та властивості аустеніту, є температура перетворення. Якщо на діаграмі розпаду аустеніту нанести промені (лінії охолодження), то можемо вище сказані перетворення пов’язати з відповідними лініями.

Верхня лінія v₁ показує швидкість охолодження, при якій утворюється перліт, v₂ – сорбіт, v₃ – троостит і v₄ – бейніт. Лінії, які не перетинають С-діаграму, показують швидкість охолодження аустеніту при якій утворюється мартенсит. Лінія, яка дотикається С-діаграми, називається критичною. Швидкість охолодження, яка відповідає цій лінії, називається критичною – v_кр. Ця швидкість відповідає охолодженню в охолодженому середовищі (воді, розчині солей у воді, мінеральних маслах тощо).

Як зазначалось, мартенсит утворюється, якщо аустеніт охолоджувати з швидкістю більше v_кр. Але чим більша швидкість охолодження, тим будуть більші внутрішні напруги, які потім важко усунути. Тому для утворення мартенситу аустеніт потрібно охолоджувати з швидкістю, близькою до v_кр. У нижній частині в окремих випадках швидкість охолодження варто зменшити, що сприятиме зменшенню внутрішніх напруг. Це можна здійснити шляхом охолодження аустеніту в двох середовищах з різною теплопровідністю (через воду в мастило).

Для доевтектоїдної сталі С-діаграма зберігає загальний вигляд (рис. 4.5), хоча є і відмінності, особливо у верхній частині. При переохолодженні до 650^oC перетворення починається виділенням фериту. Після цього починається розпад аустеніту на перліт.

Рис. 4.5

Внесення в сталь легуючих елементів теж певною мірою змінює С-діаграму. Причому ці зміни залежать від того карбідоутворюючі чи не карбідоутворюючі елементи. Не карбідоутворюючі легуючі елементи зсовують С-діаграму вправо (рис. 4.6, а), а карбідоутворюючі – розривають її ніби на дві частини (рис. 4.6, б).

а) б)

Рис. 4.6

Верхня частина відповідає перлітному, а нижня бейнітному перетворенню. Особливістю бейнітного перетворення є те, що воно не йде до кінця. Частина аустеніту, який залишається, перетворюється у мартенсит. Тоді кінцева структура буде Б+М.

Зазначені вище особливості С-діаграми суттєво впливають на режим термічної обробки легованих сталей.

Внесення в сталь легуючих елементів зменшує критичну швидкість охолодження. В окремих випадках вона може навіть відповідати охолодженню на повітрі. В той же час збільшується кількість залишкового аустеніту. Легуючі елементи збільшують гартованість сталі. Особливо сприяє цьому молібден.

Більшість легуючих компонентів підвищують температуру критичних точок A₁ і A₃ . Наприклад, лінія перлітного перетворення A₁ буде проходити не через 727^oC, а вище. Дифузійні процеси в легованих сталях проходять значно повільніше, оскільки легуючі елементи утворюють тверді розчини заміщення, а вуглець – втілення. Тому, наприклад, при гартуванні сталь треба нагрівати на 50 – 60^oC вище лінії A₃ . У результаті гартування легованих сталей отримують структуру легованого мартенситу, що суттєво впливає на процеси, які протікають при відпуску.