2.3. Превращение переохлажденного аустенита

При термической обработке охлаждение стали в большинстве случаев ведется в области аустенита. Ниже температуры 727 °С (точка А ) аустенит становится неустойчивым и способен существовать лишь ограниченное время.

Превращение может происходить как при непрерывном охлаждении, так и при изотермической выдержке ниже точки А . Распадается аустенит на феррит и цементит (Fе₃С), т.е. при превращении аустенита происходит перераспределение углерода. Известно, что феррит может содержать до 0,025 % углерода, а цементит – 6,67 %. Подобное перераспределение углерода связано с диффузией его атомов. Превращение аустенита в перлит, как и любой кристаллизационный процесс, заключается в образовании и росте зародышей новых фаз - феррита и цементита. При равновесной температуре (точка А ) образование зародышей этих фаз невозможно, так как равны свободные энергии исходной и конечных фаз. Для того чтобы превращение аустенита началось, необходимо переохлаждение ниже точки А , при котором свободная энергия феррито-цементитной смеси станет ниже свободной энергии аустенита. Чем больше степень переохлаждения, тем больше разность свободных энергий аустенита и продуктов его распада. Вследствие этого скорость превращения аустенита должна возрастать. Однако существует фактор, замедляющий превращение аустенита с увеличением степени переохлаждения. Этим фактором является диффузионная подвижность атомов. Образование низкоуглеродистого феррита и высокоуглеродистого цементита при распаде аустенита требует предварительного диффузионного перераспределения атомов углерода в аустените. Естественно, что интенсивность этого перераспределения будет падать с понижением температуры.

Наличие двух противоположно действующих факторов (разности свободных энергий и диффузионной подвижности атомов) приводит к тому, что с увеличением степени переохлаждения устойчивость аустенита вначале снижается, а затем вновь увеличивается. Эта закономерность находит свое выражение в диаграмме изотермического превращения аустенита (рис. 3).

Н а данной диаграмме по оси абсцисс отложено время превращения аустенита в секундах (по логарифмической шкале), по оси ординат - температура ниже критической точки (температура превращения). Левая кривая на диаграмме показывает начало превращения, правая кривая - конец превращения. Горизонтальная линия М показывает температуру начала бездиффузионного мартенситного превращения; его механизм рассмотрен ниже.

Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита имеют вид буквы «С», поэтому их часто называют С-образными кривыми, или просто С-кривыми.

В зависимости от степени переохлаждения, т. е. от температуры, при которой происходит распад аустенита, образуются различные по свойствам и строению структуры. При малых степенях переохлаждения, т. е. при высоких температурах превращений (немного ниже 727 °С), получается грубая механическая смесь феррита и цементита. Эта смесь называется перлитом; твердость его невысока. При больших степенях переохлаждения, т.е. при более низких температурах превращения также образуется механическая смесь феррита и цементита, но большей дисперсности. Такую смесь называют сорбитом; твердость его выше твердости перлита.

При еще больших степенях переохлаждения (приблизительно в зоне изгиба С-кривой) механическая смесь феррита и цементита имеет еще большую дисперсность. Такая структура называется трооститом. Следовательно, перлит, сорбит и троостит - это механические смеси, состоящие из феррита и цементита и отличающиеся друг от друга степенью дисперсности этих фаз.

При температурах переохлаждения, лежащих ниже изгиба С-кривой, в результате распада аустенита образуется структура, называемая бейнитом (иногда эту структуру называют игольчатым трооститом). Бейнит имеет игольчатое или перистое строение и представляет собой высокодисперсную смесь пересыщенного феррита и цементита.

Для того чтобы рассмотреть процесс распада аустенита при непрерывном охлаждении, когда сталь, нагретая до аустенитного состояния, охлаждается с разной скоростью, наложим на диаграмму изотермического превращения аустенита кривые, соответствующие различной скорости охлаждения (рис. 4).

Л иния υ₁ соответствует наиболее медленному охлаждению, в результате которого продуктом распада аустенита является перлит. Линии υ₂, υ₃ соответствуют более быстрому охлаждению; в результате охлаждения при таких скоростях продуктами распада будут сорбит и троостит.

При скорости охлаждения, соответствующей линии υ_к (критическая скорость закалки), распад аустенита на смесь феррита с цементитом не произойдет. В результате такого охлаждения аустенит превратится в мартенсит, т. е. произойдет закалка стали.

Следовательно, критической скоростью закалки υ_к называется наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит претерпевает мартенситное превращение. Таким образом, для того чтобы закалить сталь, ее следует охлаждать с такой скоростью, чтобы не успели произойти процессы превращения аустенита в ферритоцементитную смесь.

Если охлаждать аустенит со скоростью, превышающей υ_k (υ₅), то превращение в верхнем районе температур не успеет произойти, аустенит переохладится до низких температур и произойдет его превращение в мартенсит, т. е. произойдет закалка.

Если непрерывное охлаждение будет происходить со скоростью, немного меньшей критической (линия υ₄), то аустенит частично распадется в верхнем районе температур и структура стали будет состоять из троостита и мартенсита.