2.2.3. Влияние легирующих элементов на бейнитное превращение

Бейнитное (промежуточное) превращение по своим признакам – кинетике и механизму – носит черты как диффузионного, так и бездиффузионного превращения. Специфика бейнитного превращения в том, что оно развивается при температурах, когда скорость диффузии металлических атомов железа и легирующих элементов крайне низкая, а скорость диффузии углерода еще значительна.

Бейнитное превращение в легированных сталях состоит из диффузионного перераспределения углерода в аустените, бездиффузионного -перехода и карбидообразования.

Кинетика бейнитного превращения характеризуется рядом особенностей. К ним относится наличие инкубационного периода, неполное превращение аустенита в изотермических условиях и сохранение некоторого количества остаточного аустенита.

Легирующие элементы, как правило, затрудняют бейнитное превращение, хотя их влияние на бейнитное превращение слабее, чем на перлитное. Это обусловлено тем, что при бейнитном превращении специальных карбидов не образуется и легирующие элементы влияют на превращение только через влияние на полиморфное превращение.

Влияние легирующих элементов на бейнитное превращение проявляется в том, что при легировании увеличивается продолжительность инкубационного периода и снижается температура минимальной устойчивости переохлажденного аустенита. Как видно из рис. 2.8, наиболее существенно влияют на кинетику бейнитного превращения марганец и хром. Они наиболее сильно увеличивают продолжительность инкубационного периода, понижают температуру минимальной устойчивости переохлажденного аустенита и максимальную скорость превращения.

Механизм бейнитного превращения и морфология продуктов бейнитного превращения могут существенно зависеть от температуры превращения.

В углеродистых и некоторых низколегированных сталях в области повышенных температур на бейнитное превращение может накладываться перлитное превращение. В некоторых легированных сталях на бейнитное превращение накладывается мартенситное и тогда ниже М_нпосле окончания мартенситного превращения может происходить бейнитное превращение остаточного аустенита.

Промежуточное превращение в легированных сталях начинается с перераспределения углерода в аустените, идущего диффузионным путем. При этом в участках аустенита, обедненны углеродом, происходит превращение. Этот процесс обусловлен повышением мартенситной точки при понижении содержания углерода. В участках аустенита, обедненных углеродом, мартенситная точка поднимается так высоко, что достигает температуры бейнитного превращения. Чем выше температура бейнитного превращения, тем выше содержание углерода в остаточном аустените.

Рисунок 2.8 – Влияние хрома, молибдена, вольфрама и марганца при температуре

максимальной устойчивости аустенита на продолжительность инкубационного

периода , температуру минимальной устойчивостиt_м.уи максимальную скорость

превращения v_maxв бейнитной области

1-3 – сталь с 1,0 % С, 1,0 % Cr(1 – влияниеMn; 2 –Mo; 3 –W);

4 – сталь с 1,0 % С, 0,3 % Mn(влияниеCr)

Содержание углерода в -фазе, наоборот, растет с понижением температуры бейнитного превращения. Различное влияние температуры бейнитного превращения на содержание углерода в- и-фазах обусловливает и разный характер карбидообразования при промежуточном превращении. При высоких температурах промежуточного превращения происходит выделение карбидов из-фазы, а при низких – из пересыщенной-фазы, причем при высоких температурах из аустенита выделяется карбид цементитного типа.

Возможность выделения карбидной фазы из обогащенного углеродом аустенита при промежуточном превращении возрастает по мере повышения содержания углерода в стали, а также при легировании в последовательности: кремний, марганец, хром, никель.

Кремний и алюминий, повышая термодинамическую активность углерода, способствуют его перераспределению в аустените, когда идет бейнитное превращение, остаточный аустенит обогащается углеродом до значительной величины. Так, в сталях с 0,3-0,6 % С содержание углерода в остаточном аустените при бейнитном превращении может возрасти в 2-3 раза.

Микроструктура продуктов промежуточного превращения – бейнит. Различают верхний бейнит, имеющий перистое строение, и нижний бейнит, характеризующийся наличием пластинчатого строения. Структура нижнего бейнита подобна структуре низкоотпущенного мартенсита. В низкоуглеродистых легированных сталях при высоких температурах бейнитного превращения возможно образование так называемых зернистых структур.

Для промежуточного (бейнитного) превращения характерно образование микрорельефа на полированной поверхности образца подобно рельефу при образовании мартенсита.

Структура бейнита хорошо разрешается только при больших увеличениях при использовании электронного микроскопа. При высоких температурах бейнитного превращения, когда образуется верхний бейнит, аустенит оказывается сильно пересышенным углеродом, и на границе феррит-аустенит происходит выделение из аустенита карбидов цементитного типа между ферритными пластинами. В нижнем бейните, который образуется при температурах, когда диффузия углерода идет медленно, пересыщенным углеродом оказывается -твердый раствор, а не аустенит, углерод выделяетсяinsituв виде карбидов внутри ферритных пластин. Карбиды выстраиваются в более или менее правильный ряд в направлении, находящемся под углом приблизительно 60к оси ферритных пластин, внутри которых они находятся.

Механические свойства существенно зависят от их структуры. Как правило, верхний бейнит имеет неблагоприятное сочетание механических свойств, низкое сопротивление хрупкому разрушению. Нижний бейнит имеет хороший комплекс механических свойств в ряде случаев превышающий свойства тех же сталей, обработанных путем закалки и отпуска на ту же прочность.

В последнее время получили распространение низкоуглеродистые бейнитные стали. Эти стали легируют элементами существенно повышающими устойчивость переохлажденного аустенита по перлитной ступени (Cr,Mn,Mo,W, иногдаSi). В этих сталях при нормализации получается нижний бейнит и подавляется выделение избыточного доэвтектоидного феррита.