3.3. Ріст зерна аустеніту при нагріванні

З підвищенням температури і збільшенням витримки стали в аустенітній області відбувається ріст зерна аустеніту (збірна рекристалізація).

Рушійна сила цього процесу - прагнення системи зменшити свою внутрішню енергію шляхом зменшення сумарної довжини границь зерен.

Карбідо- і нітридоутворюючі елементи (Сг, Мо, W, V, Nb), Ті, Zr) гальмують ріст зерна аустеніту при нагріванні, причому тем сильніше, чим більш стійке з'єднання утворить елемент. Алюміній, утворюючи стійкий нітрид, теж ефективно гальмує міграцію границь зерен.

Механізм їхнього впливу заснований на бар'єрній дії нерозчинених в аустеніті часток на рух границі. Розчинення і коагуляція часток усуває або зменшує бар'єрний ефект.

Залежність розміру зерна від розміру і кількості часток визначається формулою Зінера-Сміта:

де г - радіус частки;

f - об'ємна частка часток.

Таким чином, чим дрібніше частка і більше об'ємна їхня частка, тим дрібніше зерно при даній температурі.

Однієї з цілей легування сталей є збереження дрібнозернистої структури при нагріванні до високих температур, при яких аустеніт активно насичується легуючими елементами.

Важливо!

Вуглець, азот і алюміній, що знаходяться у твердому розчині, сприяють росту зерна аустеніту. Аналогічно впливають бор, марганець і кремній.

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.