§ 2.5. Превращения, происходящие в стали при нагреве и охлаждении

Превращения в стали при нагреве. Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критической точки A_c1 состоит из перлита и феррита. В точке A_c1 начинается фазовая перекристаллизация перлита, т. е. происходит превращение перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от точки А_c1 до А_с3 избыточный феррит растворяется в аустените и при достижении А_с3 (линия GS) превращение заканчивается.

Рис. 1.14. Шкала зернистости стали × 100 (цифрами указан балл зерна)

Выше точки А_с3 структура стали состоит только из аустенита. При нагреве заэвтектоидной стали выше температуры A_c1 в аустените начинает растворяться избыточный цементит. Выше точки А_сm (линия SE) структура состоит только из аустенита. Аустенит неоднороден по химическому составу. В тех местах, где был цементит, аустенит богаче углеродом, а где феррит – беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава зерен аустенита сталь нагревают немного выше верхней критической точки А_с3 и выдерживают при этой температуре.

При повышении температуры выше А_с3 мелкие зерна аустенита начинают соединяться между собой и их размеры увеличиваются.

Величину зерен определяют сравнением микроструктуры стали при увеличении в 100 раз со стандартной шкалой, в которой зерна в зависимости от размера, имеют номера от 1 до 10 (рис. 1.14.). От № 1 до № 4 зерна считаются крупными, а с 5 – мелкими.

Если размер зерна исследуемого образца выходит за пределы номеров зерен 1 – 10, то пользуются другими увеличениями.

Превращения в стали при охлаждении. В результате нагрева сталь получает структуру аустенита. Поэтому основные превращения стали при охлаждении связаны с превращением аустенита. Аустенит является устойчивым только при температуре выше 727 °С (точка A_r1). При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния, ниже точки A_r1 начинается его превращение. Из диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов известно, что при медленном охлаждении эвтектоидной углеродистой стали (0,8% С) при температуре, соответствующей линии PSK, происходит превращение аустенита в перлит. В этом случае кристаллическая решетка Fe_γ перестраивается в Fe_α и выделяется цементит. Изучение процесса превращения аустенита в перлит проводится при постоянной температуре (в изотермических условиях) и при непрерывном охлаждении. Превращение аустенита при постоянной температуре изображается в виде диаграммы изотермического превращения (рис. 18). По вертикальной оси диаграммы откладывается температура, а по горизонтальной – время. Для удобства построения обычно время откладывают по логарифмической шкале, так как время распада может колебаться в широких пределах – от долей секунды до десятков минут и даже часов.

Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита, т. е. выше критической точки, а затем быстро охлаждают, например, до 700, 600, 500, 400, 300 °С и т. д. и выдерживают при этих температурах до полного распада аустенита.

Рис. 2.15. Диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,8 % С

Изотермическое превращение аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур А_r1 (727 °С) до М_н (250 °С), где М_н – температура начала мартенситного превращения.

На диаграмме нанесены две линии – С – образные кривые.

Линия I указывает время начала превращения, линия II – время конца превращения переохлажденного аустенита.

Период времени до начала превращения аустенита называют инкубационным.

При 700 °С превращение аустенита начинается в точке а и заканчивается в точке b. При этом образуется перлит (рис. 2.16, а). При 650 °С превращение аустенита происходит от а₁ до b₁ При этом образуется сорбит – тонкая (дисперсная) механическая смесь феррита и цементита (рис. 2.16, б).

Рис. 2.16. Продукты распада аустенита ×400: а – перлит, б – сорбит, в – троостит, г – мартенсит, д – бейнит (верхний), е — бейнит (нижний) ×500

Сталь, в которой преобладает структура сорбита, имеет твердость HRC 30…40 и обладает высокой прочностью и пластичностью.

Устойчивость аустенита сильно зависит от степени переохлаждения. Наименьшей устойчивостью аустенит обладает при температурах, близких к 550 °С. Для эвтектоидной стали время устойчивости аустенита при температурах 550…560 °С составляет около 1 с. По мере удаления от температуры 550 °С устойчивость аустенита возрастает. Время устойчивости при 700 °С составляет 10 с, а при 300 °С – около 1 мин.

При охлаждении стали до 550 °С (точки начала и конца распада a₂ и b₂) аустенит превращается в троостит- смесь феррита и цементита (рис. 2.16, в), которая отличается от перлита и сорбита высокой степенью дисперсности составляющих и обладает повышенной твердостью НRC 40 – 45, прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью. Ниже температуры 550 °С npoисходит образование структуры бейнита.

Бейнит – структура стали, образующаяся в результате промежуточного превращения аустенита (т. е. в температурном интервале, расположенном ниже перлитного, но выше мартенситного превращения), состоящая из смеси пересыщенного углеродом феррита и карбидов (цементита).

Различают верхний бейнит, образующийся при 500…350 °С (перистого строения) и нижний бейнит, образующийся при 350…250 °С (пластинчатого, игольчатого строения). Верхний бейнит стали имеет пониженную прочность и невысокие пластичность и вязкость, твердость HRC 43 – 46. Нижний бейнит имеет более высокую прочность, пластичность и вязкость, твердость HRC 52 – 55.

Превращения аустенита при температурах A_r1 – 550 °С называют перлитным превращением, превращение при температурах в интервале 550 °С – М_н – промежуточным превращением и превращение в интервале М_н – М_к – мартенситным превращением.

Если на диаграмму изотермического распада (рис. 2.17.) переохлажденного аустенита нанести кривые охлаждения v₁ v₂, v₃, v₄, v₅, v_кр то можно проследить превращение аустенита при непрерывном охлаждении.

Рис. 2.17. Наложение кривых охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита

Критическая скорость закалки. При медленном охлаждении образца луч v₁ пересечет кривые I и II точках a₁ и b₂ при этом аустенит превращается в перлит. При большей скорости охлаждения луч v₂ пересечет кривые I и II в точках а₁ и b₂ и переохлажденный аустенит полностью превратится в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения из образуется новая структура – троостит.

По мере ускорения охлаждения лучи будут все круче (линии , v₄, и v₅) и превращение аустенита в троостит не успеет закончиться. Кроме троостита в структуре стали образуется мартенсит. При наибольших скоростях охлаждения, когда луч v_кр касается кривой I (начала распада аустенита) и пересекает горизонталь М_н, в стали образуется только мартенсит (см. рис. 2.16, г), т. е. пересыщенный твердый раствор углерода в α – железе. При образовании мартенсита происходит перестройка гранецентрированной решетки аустенита в объемно-центрированную решетку α-железа. Избыточное количество углерода, находящееся в α-железе, искажает эту решетку и превращает ее в тетрагональную, в которой отношение параметров с/а не равно единице (рис. 1.1.б), как у куба. Степень тетрагональности тем выше, чем больше углерода в стали.

Скорость охлаждения, при которой в стали из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки v_кр. При закалке стали ее охлаждают со скоростью больше критической (например, v₆).

Мартенситное превращение протекает при непрерывном охлаждении аустенита ниже точки М_н. По достижении определенной температуры превращение аустенита в мартенсит заканчивается. Температура, при которой заканчивается мартенситное превращение, обозначается М_к. Положение температур М_н и М_к определяется химическим составом стали.

Углерод и легирующие элементы, за исключением кобальта и алюминия, понижают точки М_н и М_к . Из всех структур мартенсит имеет самую высокую твердость наряду со значительной хрупкостью. Мартенсит может иметь следующее строение: пластинчатое, игольчатое и бесструктурное.

У многих сталей температура М_к ниже комнатной, поэтому превращение аустенита не заканчивается, если сталь охлаждается только до комнатной температуры. Аустенит, который сохраняется в структуре стали при комнатной температуре наряду с мартенситом, называют остаточным аустенитом. Закаленные высоколегированные стали содержат остаточный аустенит в больших количествах, а низкоуглеродистые стали почти его не содержат.

Превращение мартенсита при нагреве. Мартенсит, получаемый при закалке стали, является неустойчивой структурой и стремится к превращению в более равновесное состояние. Нагрев ускоряет этот переход, так как подвижность атомов сильно возрастает.