2. Изотермические и термокинетические диаграммы распада аустенита в сталях при сварке

При охлаждении стали кинетику и механизм превращения аустенита можно проанализировать с помощью изотермических диаграмм (т.н. С-кривых), характеризующих превращение при постоянной температуре (рис. 2).

Рис. 2 – Диаграмма изотермического превращения аустенита (твердость – для стали с 0,8 % С)

Перлитное превращение происходит в верхней части диаграммы (выше 500 ⁰С). В результате распада аустенита образуется механическая смесь двух фаз – феррита и цементита, состав которых отличается от состава исходного аустенита. Исходный аустенит содержит 0,8 % С, а образующиеся фазы – феррит ~ 0,02 %, цементит 6,67 %. Следовательно, это превращение является диффузионным. Максимальная скорость превращения соответствует переохлаждению ниже А₁ на 150…200 ⁰С, т.е. соответствует минимальной устойчивости аустенита. При дальнейшем понижении температуры значительно уменьшается скорость диффузии, благодаря чему увеличивается устойчивость аустенита. Кривые начала (левая) и конца (правая) превращения сдвигаются вправо (рис. 2). Выше 500 ^оС скорость диффузии достаточна для того, чтобы образовавшийся феррит содержал равновесное количество угдерода. Если увеличить степень переохлаждения, то ниже изгиба С-кривой образуется игольчатая структура – бейнит. Бейнитное превращение называют также промежуточным, поскольку оно происходит при температурах между перлитным – диффузионным превращением и мартенситным – бездиффузионным. Главное отличие бейнита от перлита – содержание углерода в феррите (до 0,1 % при 400 ⁰С и до 0,2 % при 300 ⁰С). При больших степенях переохлаждения, например, при 230 ⁰С для эвтектоидной стали, аустенит находится в неустойчивом состоянии. При этих температурах аллотропическое превращение происходит в условиях, когда скорость диффузии углерода очень мала. При бездиффузионном превращении весь углерод, растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита. Так как максимальная растворимость углерода в α – железе не превышает 0,02 %, а в исходной фазе – аустените – может содержаться до 2,14 % С, то образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в - мартенсит (ниже линии М_н на диаграмме рис. 2). Наименьшая скорость охлаждения, необходимая для образования мартенсита, называется критической скоростью закалки V_кр (рис. 2).

На практике изотермичность превращения достигается далеко не всегда, в особенности в условиях сварки – при непрерывно меняющейся температуре. Поэтому для более точной оценки превращений используют термокинетические (анизотермические) диаграммы превращения аустенита, характеризующие распад аустенита при различных значениях скорости охлаждения.

Термокинетические диаграммы строятся также, как С-диаграммы, в координатах «температура превращения – время» и представляют серию кривых охлаждения, на которые нанесены области начала и конца диффузионного и бездиффузионного превращений (рис. 3). При этом следует иметь в виду, что диаграммы превращения аустенита при непрерывном охлаждении, построенные для температурно-временных условий термообработки, не могут быть без дополнительных коррективов использованы для оценки структуры сварного соединения. Это объясняется тем, что эти диаграммы построены при невысоких температурах аустенизации и длительных выдержках. При сварке же в отдельных участках зоны термического воздействия (например, в участке крупного зерна) температура нагрева значительно выше , а длительность выдержки может составлять всего несколько секунд. Поэтому для анализа фазовых превращений в сталях при сварке целесообразно изучение специально построенных диаграмм [3]. В большинстве случаев такие диаграммы строятся применительно к температурно-временным условиям нагрева и охлаждения участка крупного зерна ЗТВ, в наибольшей степени влияющего на качество сварного соединения.

Рис. 3 – Термокинетическая диаграмма превращений при сварке стали 15ХГ

На практике термокинетические диаграммы могут быть использованы как при выборе оптимальных режимов сварки (термических циклов), не допускающих образование в участке перегрева закалочных структур (и, как следствие, холодных трещин), так и при прогнозировании структуры и свойств сварных соединений при заданных режимах сварки.

Для получения более полной информации у кривых охлаждения указывают значения твердости для данного типа структуры, а также содержание структурных составляющих в процентах. Реализация того или иного механизма превращения аустенита устанавливается по пересечению конкретной кривой охлаждения соответствующей области термокинетической диаграммы. Кроме того, возможно определение таких важных параметров, характеризующих кинетику процесса - превращений, как длительность охлаждения до появления в структуре бейнита (t_Б), феррита (t_Ф), перлита (t_п) и сопоставление их с длительностями охлаждения t_600-500 или t_800-500 ,соответствующими заданным термическим циклам сварки.

Для анализа состава конечных структур в отдельных участках ЗТВ используются и т.н. структурные диаграммы (рис. 4), построенные в координатах «содержание фаз в % - скорость охлаждения».

Рис. 4 – Структурная диаграмма для сварки стали 23Г