Тема 10. Фазовые превращения в сплавах железа (теория термической обработки)

12.1.Превращение ферритно-карбидной структуры в аустенит при нагреве

Общее представление о превращениях, которые протекают в стали при нагреве можно получить из диаграммы состояния железо - цементит. При нагреве эвтектоидной стали (0,8 %С) несколько выше критической точки Ас1 (7270С) перлит превращается в аустенит:

Ф + Fe3C  А

(0,02 %C) ( 6,67 %C) (0,8%C)

Превращение состоит из двух одновременно протекающих процессов: полиморфного  перехода и растворения в аустените цементита.

Механизм процесса превращения перлита в аустенит состоит в зарождении зерен ау-стенита и их роста.

Первоначальные зародыши аустенита при нагреве несколько выше критической точки Ас1 образуются сдвиговым путем (), при сохранении когерентных границ. В результате этого образуется низкоуглеродистый аустенит пластинчатой формы, где растворяется цементит, и содержание углерода в аустените приближается к равновесному. При росте зародыша когерентность  и  - решеток нарушается, сдвиговый механизм заменяется нормальным механизмом роста и зерна аустенита приобретают равноосную структуру.

Зародыши аустенита возникают на межфазной границе раздела феррита и цементита. Образовавшиеся зародыши аустенита растут благодаря интенсивной диффузии атомов угле-рода в аустените, что приводит к растворению цементита в аустените и превращению . Одновременно зарождаются новые зерна аустенита. Рост участков аустенита в результате полиморфного превращения происходит быстрее, чем растворение цементита, то после растворения феррита в аустените в структуре стали остается еще некоторое количество цементита и для его устранения продолжительность изотермической выдержки должна быть увеличена. Для гомогенизации нужно дополнительное время (рис. 52).

Чем выше температура нагрева, тем выше скорость превращения, но помимо темпера-туры нагрева она зависит еще от его исходного состояния. Чем тоньше ферритноцементит-ная структура и чем больше концентрация углерода, тем больше возникает зародышей ау-стенита, тем больше растет суммарная поверхность раздела, меньше пути диффузии и тем быстрее проходит процесс аустенизации.

А введение карбидообразующих элементов, замедляют процесс аустенизации. Чем вы-ше скорость нагрева, тем при более высоких температурах происходит превращение фер-ритно-цементитной структуры в аустенитную (рис. 53).

Поэтому при скоростном нагреве, например токами высокой частоты, температура на-грева для аустенизации стали должна быть выше, чем при сравнительно медленном печном нагреве.

12.2. Рост зерен при нагреве

Чем выше скорость нагрева, тем меньше зерно аустенита, так скорость образования за-родышей выше, чем скорость их роста. При дальнейшем повышении температуры или уве-личении длительности выдержки при данной температуре происходит собирательная рекристаллизация и зерно увеличивается. Способность зерна к росту неодинакова даже у сталей одного марочного состава вследствие влияния условий их выплавки.

По склонности к росту зерна различают два предельных типов сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые.

В наследственно мелкозернистой стали при нагреве до высоких температур (1000 - 10500С), зерно увеличивается незначительно, однако при более высоком нагреве наступает бурный рост зерна. В наследственно крупнозернистой стали, наоборот, сильный рост зерна наблюдается даже при незначительном нагреве выше Ас1 . Различная скорость к росту зерна определяется условиями раскисления стали и ее составом.

Следует отметить, что термины «наследственно крупнозернистая сталь» и «наследст-венно мелкозернистая сталь» не обозначают того, что данная сталь имеет всегда крупное или всегда мелкое зерно. Наследственное зерно, полученное в стандартных условиях технологической пробы, указывает лишь на то, что при нагреве доопределенных температур крупнозернистая сталь приобретает крупное зерно при более низкой температуре, чем сталь мелкозернистая (рис. 54)

В связи с эти введено понятие о действительном зерне, т.н. зерне, существующем в стали при данной температуре.

Продолжительном нагрев при температурах гораздо выше Ас3 и Асm приводит к обра-зованию крупного действительного зерна. Такой нагрев принято называть перегревом ста-ли. Она характеризуется хрупким изломом.

Влияние величины зерна на свойства стали. Как упомянуто ранее, чем мельче зерно, тем выше прочность (  ), пластичность ( ) и вязкость (KCU, KCT), ниже порог хладноломкости (t50) и меньше склонность к хрупкому разрушению. Уменьшая размер зерна аустенита, можно компенсировать отрицательное влияние других механизмов упрочнения на порог хладноломкости.

Аномально себя ведет только трещиностойкость. при укрупнении зерна аустенита до 10-15 мкм трещиностойкость уменьшается, а при дальнейшем росте возрастает.

Выявление и определение величины зерна. Зерно выявляется различными методами:

• цементацией;

• окислением по ферритной и цементитной сетке;

• травлением границ зерен.

Величину зерна определяют баллами. Между номером зерна N (балом) и количеством зерен n , помещающихся на 1мм2 шлифа, существует следующая зависимость: n = 2 N+3.

Стали с номером зерна 1 - 5 относят к крупнозернистым, а с номером зерна 6 - 15 к мелкозернистым.