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 М_н, вплив Сг, V і Мо слабкіше;

• Со підвищує температуру крапки М_н;

С + N інтенсивно знижують температуру крапки Мн.

Фіг.22. Вплив легуючих елементів на положення 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:

4.2. Перлітне перетворення

У легованих сталях перлітне перетворення складається з наступних компонентів:

• поліморфне перетворення у→α;

• дифузійний перерозподіл вуглецю і легуючих елементів;

• утворення спеціальних карбідів і ферито-цементитної суміші (перліту).

Від типу легуючих елементів і їхньої кількості в переохолодженому аустеніті залежить швидкість окремих етапів перлітного перетворення і кінетика процесу в цілому.

Поліморфне перетворення γ→α при малому переохолодженні нижче критичних крапок відбувається шляхом неупорядкованого (нормального) зсуву атомів.

При мартенситному перетворенні спостерігається зсувний упорядкований механізм

Швидкість у—>а перетворення сильно сповільнюється при легуванні Сг+Ni, ще більш гальмується при легуванні Сг+Ni+Мо.

Механізм уповільнення зв'язаний з підвищенням енергії активації процесу самодифузії заліза і, отже, з посиленням зв'язку атомів заліза, вуглецю і легуючих елементів в аустеніті.

У результаті перерозподілу атомів вуглецю і легуючих елементів між фазами (феритом і карбідами) відбувається карбідоутворення: виділення спеціальних карбідів і цементиту.

При наявності в сталі сильних карбідоутворюючих елементів схема розпаду аустеніту й утворення карбідів виглядає в такий спосіб.

Утворення спеціальних карбідів в аустеніті до початку γ→α перетворення порозумівається зменшенням розчинності легуючих елементів і вуглецю в аустеніті при зниженні температури.

Карбіди, що виділилися на різних стадіях охолодження, мають різну форму і місце розташування в структурі:

- карбіди, що виділилися безпосередньо з переохолодженого аустеніту, розташовуються по границях зерен і дефектам кристалічних ґрат у виді ланцюжка карбідів (фіг.23а);

- карбіди, що виділилися з пересиченого нерівновагого ферита, можуть бути безперервними і переривчастими; вони розташовуються як усередині зерна (безперервні), так і направленно від границі зерна всередину (переривчасті або нитковидні) (фіг.23б);

карбіди, що виділилися з фериту евтектоіду, розташовуються між пластинами цементиту (фіг.23в).

Фіг.23. Схеми розташування карбідів у структурі стали

У деяких сталях, наприклад, хромистих, крім утворення карбідів безпосередньо у твердому розчині має місце зародження «in situ» («на місці»). У цьому випадку карбід зароджується на раніше утвореному карбіді того ж легуючого елемента, але має склад іншого типу. Таке можливо, якщо кристалічні грати карбідів двох типів можуть трансформуватися без утворення між собою границі. Наприклад, (Fе,Сг)зС→(Fе,Сг)₇С₃ або (Fе,Сг)₇С₃→(Fе,Сг)₂₃С₆.

Некарбідоутворюючі елементи (Ni,Со,Sі) участі в утворенні карбідів не приймають. Вони звичайно входять до складу цементиту в кількості, рівній їх змістові в сталі. Вони можуть впливати на термодинамічну активність інших елементів.

Тому що легуючі елементи мають коефіцієнт дифузії на 4-5 порядків нижче, ніж вуглець, то процес перерозподілу елементів і карбідоутворення лімітується рухливістю легуючих елементів. Тому виділення карбідів зі зниженням температури швидко сповільнюється і після 600-500°С уже практично не проходить.

Таким чином, перлітне перетворення в легованих сталях контролюється швидкостями поліморфного у—>а перетворення і дифузійного перерозподілу легуючих елементів між вихідним твердим розчином і новими фазами, тобто утворенням карбідів.

Утворення спеціальних карбідів при перлітному перетворенні дуже впливає на властивості сталей з ферито-карбідною структурою (конструкційні сталі в гарячекатаному стані або після гартування в центрі виробу).

4.3. Проміжне перетворення у легованих сталях

Як відомо з прослуханих раніше курсів, бейнитне перетворення зветься проміжним, тому що має риси як дифузійного, так і бездифузійного перетворень.

Воно протікає при температурах, коли дифузійна рухливість вуглецю ще значна, а рухливість атомів легуючих елементів і заліза - дуже низька.

Проміжне (бейнитне) перетворення включає:

• дифузійний перерозподіл вуглецю в аустеніті;

• бездифузійний γ→α перехід;

• карбідоутворення.

Бейнитне перетворення має наступні особливості:

- наявність інкубаційного періоду;

- неповне перетворення аустеніту і збереження визначеної кількості залишкового аустеніту.

Між перлітним і проміжним перетвореннями можна установити границю -температуру Бн.

Вплив легування на бейнитне перетворення слабкіше, ніж на перлітне. Деякі легуючі елементи, наприклад Sі і Сг, гальмують процеси перетворення у всьому інтервалі температур. Інші, наприклад Мі або Мп, гальмують лише високотемпературні процеси, а при більш низьких температурах аустеніт перетворюється цілком.

На схемах (фіг. 24) показаний вплив легуючих елементів на основні характеристики процесу бейнитного перетворення для сталей з 1%С.

Фіг. 24. Вплив легуючих елементів на величину інкубаційного

періоду (а), температуру мінімальної стійкості аустеніту (б) і максимальну швидкість бейнитного перетворення (в)

Видно, що Мn і Сг збільшують інкубаційний період і інтенсивно знижують температуру мінімальної стійкості аустеніту і швидкість перетворення.

У деяких сталях проміжне перетворення може накладатися на перлітне (у низьколегованих сталях) або на мартенситне (у складнолегованих сталях).

Основні етапи бейнитного перетворення в легованих сталях:

- дифузійний перерозподіл вуглецю в аустеніті;

- мартенситне перетворення γ→α, на збіднених вуглецем ділянках, тому що температура крапки М_н зростає при зниженні змісту вуглецю в аустеніті;

- виділення карбідів із залишкового аустеніту або пересиченої α -фази.

Чим вище температура проміжного перетворення, тим вище зміст вуглецю в залишковому аустеніті і, навпаки, чим нижче температура бейнитного перетворення, тим вище зміст вуглецю в α -фазі.

Звідси, при підвищених температурах відбувається виділення карбідів з γ-фази, при низьких - з α-фази. Імовірність виділення карбідів зі збагаченого аустеніту зростає при збільшенні змісту в сталі С, Sі, Мn,Сг і Мі.

Нагадати! Структура продуктів проміжного перетворення - бейнит. Верхній бейнит має пір'ясту структуру, нижній бейнит - голчаста структура (подібна низьковідпущенному мартенситові). У низьковуглецевих легованих сталях можливе утворення верхнього бейнита у виді зернистої структури.

Механічні властивості стали істотно залежать від типу продуктів проміжного перетворення:

• верхній бейнит, як правило, має несприятливе сполучення механічних властивостей і схильність до крихкого руйнування;

• нижній бейнит має високий комплекс механічних властивостей, часто переважаючі властивості загартованих і відпущених сталей.