5. Механизм образования аустенита из перлита.
Образование аустенита из перлита в эвтектоидной стали; из перлита и феррита в доэвтектоидной; из перлита и карбидов в заэвтектоидной – типичный кристаллизационный процесс, подчиняющийся основным законам кристаллизации. Основной движущий силой процесса является стремление стали снизить запас своей свободной энергии.
Процесс состоит из зарождения центров кристаллизации аустенита и постепенного роста кристаллов вокруг этих центров.
*Первые участки аустенита появляются на границах зернышек цементита в феррите,
а в дальнейшем (2) участки аустенита увеличиваются. Это объясняется тем, что в пограничных областях между частицами цементита и ферритной основы сосредотачивается большое количество дислокаций, вакансий, атомов примесей и других несовершенств строения решетки. Кроме того, есть избыток свободной поверхностной энергии. Все это, наряду с близостью цементита, создает благоприятные условия для диффузии «С» и образования аустенита. Образовавшийся аустенит содержит около 0,8%С.
Скорость образования аустенита при заданной температуре нагрева стали зависит от 2х факторов: 1 – от разности свободной энергии зарождающегося аустенита и исходной структуры стали; 2 – от скорости диффузии атомов «С», необходимых для образования аустенита.
Повышение температуры резко увеличивает оба эти фактора и скорость образования аустенита. Образование аустенита при непрерывном нагреве происходит следующим образом:
Превращение перлита в аустенит протекает в некотором интервале температур.
Чем больше скорость нагрева, тем выше температуры, при которых протекает превращение перлита в аустенит, растворение карбидов и выравнивание неоднородности аустенита.
Чем больше скорость нагрева, тем быстрее протекает превращение перлита в аустенит.
Скорость образования центров кристаллизации аустенита зависит от измельченности частиц цементита в перлите и от формы этих частиц. В тонко пластинчатом перлите возникновение центров кристаллизации аустенита идет гораздо быстрее, чем в крупнопластинчатом.
При непрерывном нагреве даже небольшое превышение т. Ас1 (727 ºС вызывает возникновение в мелкопластинчатом перлите большого числа центров кристаллизации аустенита. В зернистом перлите, где поверхность частиц цементита относительно меньше, чем в пластинчатом одинаковой измельченности, процесс возникновения центров кристаллизации аустенита идет медленнее.
Образование аустенита в изотермических условиях, как и всякий типичный кристаллизационный процесс, сначала идет с возрастающей скоростью, затем скорость становится постоянной, и, наконец, уменьшается, постепенно затухая.
При повышении температуры изотермической выдержки скорость образования аустенита резко возрастает.
После окончания процесса аустенит получается неоднородным, т.е. концентрация «С» в различных его участках оказывается неодинаковой. В местах, где располагался цементит, содержание «С» в аустените будет больше, чем в местах, где находится феррит. Для выравнивания состава аустенита по всему объему требуется добавочное время.
ПРАКТИКА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Классификация видов термической обработки по Бочвару.
Отжиг и нормализация.
Закалка.
Чтобы вызвать изменение свойств сплава, в нем при нагреве, выдержке или охлаждении должны произойти изменения, обусловленные фазовыми превращениями. Если металл в результате предшествующей обработки находится в структурно неравновесном состоянии, то при нагреве, вследствие увеличения подвижности атомов, можно приблизить металл к равновесному состоянию и изменить его свойства.
Все виды термической обработки подразделяют на 5 больших групп.
Ι. Допустим, что предшествующая обработка привела металл в неустойчивое состояние. Холодная пластическая деформация вызвала наклеп – искажение кристаллической решетки. При затвердевании не успели произойти диффузионные процессы, и состав металла неоднороден даже в объеме одного зерна. Полученное подобными способами неустойчивое состояние для большинства металлов при комнатной температуре сохраняется длительное время, т.к. тепловое движение атомов при комнатной температуре недостаточно для перехода в устойчивое состояние.
Увеличение теплового движения атомов в результате нагрева ведет к активации процессов, приводящих металл в устойчивое состояние. К подобным процессам относятся снятие напряжений, уменьшение искажений кристаллической решетки, рекристаллизация, диффузия.
Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, который имеет неустойчивое состояние, полученное в результате предшествующих обработок, и приводящая в более устойчивое состояние, называется отжигом.
П. Если при нагреве сплавы подвергаются фазовым превращениям (аллотропия, растворение 2-й фазы и т.д.), то нагрев выше некоторой критической температуры вызывает изменение в строении сплава.
При последующем охлаждении произойдет обратное превращение. Если охлаждение происходит достаточно медленно, то превращение совершается в полной мере, фазовый состав будет соответствовать равновесному состоянию.
Особенностью обработки ΙΙ является нагрев выше температур фазового превращения и охлаждение с малой скоростью, в результате чего сплав приходит к структурному равновесию. Такая термическая обработка также называется отжигом, но отжигом ΙΙ рода или фазовой перекристаллизацией.
Ш. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного превращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически возможно такое быстрое охлаждение, в результате которого зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такой процесс называется истинной закалкой. В более широком смысле закалка подразумевает фиксацию лишь какой-то стадии структурного превращения, при которой в сплаве еще не достигнуто равновесное состояние.
Между обработкой П-йи ΙΙΙ - ей групп есть общее. И в том, и в другом случае сплав нагревается выше температуры фазового превращения, и окончательное строение приобретается при последующем охлаждении.
Однако между обоими видами имеется и принципиальная разница. Во ΙΙ группе термической обработки охлаждение имеет целью приближение сплава к равновесному состоянию и потому охлаждение ведется медленно. По Ш группе термической обработки охлаждение ведется быстро с целью отдаления структурного состояния сплава от равновесного.
ΙV группа. Состояние закаленного сплава характеризуется неустойчивостью. Даже без всякого температурного воздействия в сплаве могут происходить процессы, приближающие его к более равновесному состоянию. Нагрев сплава способствует этим превращениям, т.к. вызывает большую подвижность атомов. Нагрев закаленного сплава ниже температуры равновесных фазовых превращений называется отпуском. Отпуск, происходящий при комнатной температуре (т.е. термообработка заменяется выдержкой при комнатной температуре) или при невысоком нагреве, часто называют старением.
Между отжигом Ι рода и отпуском есть общие моменты. В том и в другом случае обработка приближает сплав к структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние сплава, только для отжига Ι рода оно достигается предшествующей обработкой, при которой не происходило фазовых превращений, а для отпуска – предшествующей закалкой.
Отсюда следует, что отпуск является всегда вторичной операцией, производимой после закалки.
V группа металлов может растворять в себе различные элементы. При повышенных температурах атомы вещества, окружающего поверхность металла, диффундируют внутрь, создавая поверхностный слой измененного состава. Температурный фактор в этих процессах играет важную роль, поэтому их нельзя свести в чисто химической обработке. Обработка, в результате которой изменится состав поверхностных слоев, носит название химико-термической обработки.
Различные виды химико-термической обработки определяются тем, какими элементами насыщают металл.
Исходя из сказанного, можно дать краткие определения различных видов термической обработки.
1. Отжиг Ι рода – термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние, полученное предшествующими видами обработки и приводящая металл в более устойчивое состояние.
2. Отжиг П рода – термическая операция, состоящая из нагрева выше температуры превращения с последующим достаточно медленным охлаждением для получения структурно устойчивого состояния сплава.
3. Закалка – термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.
4. Отпуск – термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры превращения для получения структурно более устойчивого состояния сплава.
5. Химико-термическая обработка – термическая операция, состоящая в нагреве сплава в среде соответствующих химических реагентов для изменения состава поверхностных слоев.