3. Фазовые превращения в стали.
Общее представление о превращениях, протекающих в стали при нагреве, можно получить из диаграммы состояния. Фазовые превращения вызваны тем, что, вследствие изменившихся условий, в частности температуры, одно состояние оказывается менее устойчивым, чем другое.
Рассматривая структурные превращения стали следует отметить 3 основные структуры, а переход их из одной в другую характеризует основные превращения.
Этими структурами являются:
1. Аустенит – твердый раствор внедрения “С” в γ-Fe [Feγ (C)]
2. Мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения “С” в α-Fe [Feα(С)]
3. Перлит – эвтектоидная смесь из одновременно образующихся феррита (тв.раствор “С” в α-Fe) и цементита (карбида Fe3С) [FeαC+Fe3C]
В процессах термической обработки стали наблюдаются 4 основных превращения:
1. Превращение перлита в аустенит:
Feα+Fe3C→Feγ(C) или Ф+Fe3C→А
0,02%С 6,67%С 0,8%С
Превращение протекает выше т. А1 (7270С), выше температуры стабильного равновесия аустенит-перлит. При этих температурах из 3х основных структур аустенит обладает минимальной свободной энергией.
Превращение состоит из 2х одновременно протекающих процессов: полиморфного α→γ перехода и растворения в аустените цементита.
П-е основное превращение – это превращение аустенита в перлит:
Feγ(C) →Feα+Fe3С, протекающее ниже т. А1.
Ш-е превращение аустенита в мартенсит:
Feγ(C) →Feα(С)
Таким образом, температура начала и конца мартенситного превращения обуславливается химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже температура. Легирующие элементы, за исключением Co и Al, также понижают температуру.
Таким образом протекает мартенситное превращение при температуре ниже температуры метастабильного равновесия А→M.
Изменение свободных энергий аустенита ZА, мартенсита ZМ и перлита ZП с изменением температуры:
Хотя при Т0 более устойчив перлит, работа для образования мартенсита из аустенита меньше, чем для образования перлита. Поэтому ниже Т0 образование перлита из аустенита может произойти только путем превращения аустенита в мартенсит, а затем уже мартенсита в перлит. Таким образом, аустенитно-мартенситное превращение в данном случае является промежуточным в процессе перехода аустенита в перлит.
ΙV превращение мартенсита в перлит, т.е. в феррито-карбидную смесь:
Feα(C)→Feα +Fe3C, происходит при всех температурах, т.к. свободная энергия мартенсита при всех температурах больше свободной энергии перлита.
Схема свободных энергий основных структур показывает, что выше Т0 возможно превращение мартенсита в аустенит. Однако, экспериментально это не подтверждается, т.к. вероятно, раньше успевает произойти превращение М→П (распад мартенсита).
4. Критические точки образования аустенита.
Нагрев стали при термической обработке в большинстве случаев имеет целью получение структуры аустенита.
Структура доэвтектоидной стали при нагреве до температуры Ас1 [7270С перлитное или эвтектоидное превращение] состоит из зерен феррита и перлита.
Схема изменения структуры стали с содержанием 0,4%С при нагреве:
В т. Ас1 начинается фазовая перекристаллизация перлита., который превращается в мелкозернистый аустенит. Фазовая перекристаллизация вызывается аллотропическим превращением решетки α-Fe перлита в γ-Fe аустенита. При нагреве от температуры Ас1 до Ас3 избыточный феррит растворяется в аустените. При температуре Ас3 фазовая перекристаллизация заканчивается, и весь феррит оказывается растворенным в аустените.
Аналогичные превращения происходят в заэвтектоидной стали. При нагреве до температуры Ас1 перлит превращается в мелкозернистый аустенит. Дальнейший нагрев приводит к растворению (вторичного) цементита в аустенит. Выше температуры Ас3 и Асm будет только один аустенит.
С дальнейшим повышением температуры происходит рост зерен аустенита всех сталей (доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной) в различной степенью интенсивности для разных сталей.
В процессе нагрева образующиеся зерна аустенита ориентируются в соответствии с исходной структурой, что приводит к текстурованности.
Последующая первичная рекристаллизация позволяет устранить текстурованность зерен аустенита и получить мелкозернистую структуру излома. Более высокий нагрев (вторичная рекристаллизация) ведет к сильному росту зерен аустенита.
Одновременно с процессом образования и роста зерна в аустените идет выравнивание концентрации углерода путем диффузии. Однако процесс диффузии в аустените протекает сравнительно медленно, требуя достаточной температуры и времени для выравнивания концентрации углерода по всему объему.