3.4. Вплив розміру зерна на властивості легованих сталей
У переважній більшості сталей необхідно одержати дрібне зерно аустеніту. Ціль - підвищення міцності, опору крихкому руйнуванню, зносостійкості і т.п.
У ряді сплавів (наприклад, у магнитом'яких трансформаторних сталях) прагнуть, навпаки, максимально укрупнити зерно. Вплив величини зерна на міцність і в'язкість
сталей різних структурних класів у кількісному відношенні неоднаково, тому що воно залежить не тільки від розмірів зерна, але і від стану поверхневих шарів зерен.
У евтектоідних сталях майже немає карбідних виділень по границях зерна. їхня міцність і в'язкість обумовлені переважно розміром зерна і погіршуються майже пропорційно підвищенню температури загартування.
Заевтектоідні і ледебуритні стали, загартовані з відносно невисоких температур, при яких велика частина надлишкових карбідів залишається нерозчиненої, мають дрібне зерно і велику міцність. Однак значне підвищення температури гартування викликає більш різке в порівнянні з евтектоідними сталями (майже стрибкоподібне) зниження міцності і в'язкості. Це викликано тим, що за рахунок розчинення карбідів аустеніт сильно насичується вуглецем. При наступному охолодженні поблизу крапки А1 з аустеніту виділяються карбіди переважно по границях зерен. Вони утворять карбідну сітку, окрихчуючу сталь. Окрихчування перегрітих сталей збільшується в процесі відпустки при дисперсійному твердінні.
Прогартованність зростає зі збільшенням зерна, причому сильніше для мало прогартуючихся сталей, менше - для сталей підвищеної і високої прогартованності.
Між величиною зерна і теплостійкістю прямого зв'язку немає. При невеликому перегріві досягається насичення аустеніту легуючими елементами за рахунок розчинення карбідів, тобто підвищення теплостійкості. Подальший ріст зерна знижує міцність і в'язкість стали і нівелює деяке підвищення теплостійкості.
Якість стали та правильність виконання термічної обробки зручно контролювати по величині зерна.
Правило: чим більше карбідів у структурі, чим більше них виділяється при відпустці, тим менше повинна бути величина зерна.
Оптимальні розміри зерен:
бал 9 у евтектоідних без карбідів сталях;
бали 10-9,5 у среднелегованих сталях;
бали 11-10,5 у сталях з інтенсивним розвитком дисперсійного твердіння.
Якщо виріб працює без динамічних навантажень і важлива теплостійкість стали, то доцільно деяке збільшення зерна.
При підвищених навантаженнях у роботі виробу зерно стали не повинні перевищувати 12 бала.
4. Вплив легування на перетворення переохолодженого аустеніту
4.1. Стійкість переохолодженого аустеніту
При гартуванні, нормалізації й відпалу відбувається розпад переохолодженого аустеніту. З прослуханих раніше курсів відомі три основних типи перетворення:
пер літне;
проміжне (бейнитне);
мартенситне.
Легуючі елементи істотно впливають на кінетику і механізм цих перетворень.
Стійкість переохолодженого аустеніту до розпаду характеризують термокінетичні діаграми і діаграми ізотермічного розпаду аустеніту.
Некарбідоутворюючі елементи (Ni, А1, Sі, Сu) не змінюють загальний вид С-образних кривих, однак зміщають їх вправо, тому що вони підвищують стійкість аустеніту до розпаду. Кобальт, навпаки, знижує стійкість аустеніту і зрушує криві вліво.
Карбідоутворюючі елементи (Сг, Мо, W, V) істотно змінюють вид С-образних кривих. При цьому відбувається поділ перлітного і бейнитного перетворень з появою зони стійкості аустеніту між ними.
Фіг.21. Вплив легуючих елементів на вигляд
С-образних кривих ізотермічного розпаду аустеніту
Вплив легуючих елементів на стійкість аустеніту при перлітному перетворенні полягає в наступному:
- усі легуючі елементи, крім Со, підвищують стійкість переохолодженого аустеніту; особливо активні Мо і Мп;
- у доевтектоідних сталях Sі і А1 прискорюють процес утворення фериту, але сповільнюють розпад аустеніту на ферито-карбидну суміш; Мn і Ni сповільнюють обидва процеси;
- вуглець знижує швидкість утворення надлишкового фериту і збільшує швидкість утворення надлишкових карбідів у заевтектоідних сталях.
Вплив легуючих елементів на стійкість аустеніту при проміжному перетворенні полягає в наступному:
найбільше сильно підвищують стійкість переохолодженого аустеніту С і N;
Сг, Ni, Мо, W, Мn розширюють інкубаційний період початку перетворення;
легуючі елементи зміщають проміжне перетворення в область більш низьких температур; у високолегованих сталях воно може збігатися з мартенситним перетворенням;
- найбільший ефект виявляється при спільному легуванні Сг+Nі, Сг+Ni+Мо, Сг+Мп, однак дія кожного з легуючих елементів не адитивно.
Вплив легуючих елементів на стійкість аустеніту при мартенситному перетворенні полягає в наступному (фіг.22):
- Мп найбільше сильно знижує температуру крапки Мн, вплив Сг, V і Мо слабкіше;
Со підвищує температуру крапки Мн;
С + N інтенсивно знижують температуру крапки Мн.
Відповідно змінюється і кількість залишкового аустеніту. Найбільшим воно буде при легуванні С, Мп, Сг, Ni і Мо. Sі і Co знижують кількість залишкового аустеніту.
Досить точно температуру початку мартенситного перетворення можна обчисліти по формулі Попова: