Превращения, происходящие при охлаждении стали

Распад аустенита может проходить только при температурах ниже 727° (критическая точка А₁), следовательно, для распада аустенит должен быть переохлажден. От степени переохлаждения, т.е. от температуры, при которой происходит распад аустенита, зависят скорость превращения и строение продуктов распада аустенита. Закономерности этого распада характеризу­ется диаграммой изотермического превращения аустенита (С-образными кривыми). На рис.3 приведена такая диаграмма для эвтектоидной стали.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурных области превращения: перлитную, промежуточного превращения и мартенситную.

Перлитная область распространяется на интервал температур от А₁ до изгиба С – кривой (~550˚С). Аустенит здесь распадается на ферритно-цементитную смесь:

Это превращение носит диффузионный характер. Структура, состоящая из чередующихся пластинок феррита и цементита, ха­рактерна для всей перлитной области.

Разница заключается только в том, что с увеличением переохлаждения ниже 727°С (с понижением температуры превращения) пластинки феррита и цементита становятся более тонкими и ис­кривленными, что характеризуется межпластиночным расстоянием L_О, под которым понимают сумму толщин двух соседних пластинок феррита и цементита. С уменьшением L_О значительно изменяются механические свойства - повышаются прочность и твер­дость и уменьшается пластичность.

Под перлитом понимают продукты эвтектоидного распада аустенита, образующиеся при 650-700˚С (L_O=0,6 -1,0 мкм, НВ=180-250). Если аустенит распадается при 600-650˚С, то образуется более мелкая ферритно-цементитная смесь, именуемая сорбитом (L_O=0,25 -0,3 мкм, НВ=250-350).

При переохлаждении аустенита до 500 - 600° образуется еще более мелкая смесь феррита и цементита, называемая трооститом (L_O=0,1 -0,15 мкм, НВ=350-450).

При изотермическом превращении аустенита доэвтектоидных сталей в интервале температур выше изгиба С – кривой процесс начинается с образования избыточного малоуглеродистого феррита (линия а-б, рис.4), что приводит к обогащению аустенита углеродом до 0,8%, после чего происходит перлитное превращение.

При изотермическом превращении заэвтектоидной стали про­цесс аналогичен, разница только в том, что вместо феррита из аустенита предварительно выделяется избыточный цементит.

Мартенсит имеет совершенно отличную, от перлитных струк­тур природу. Характерной особенностью аустенитно-мартенситного превращения является его бездиффузионный характер. При боль­шом переохлаждении из-за отсутствия диффузионного перемещения атомов углерода образование цементита не происходит. Решетка Fe_γ перестраивается в решетку Fe_α и весь углерод остается в α-растворе. Получаем пересыщенный углеродом α-твердый раствор – мартенсит.

Мартенсит имеет иголь­чатое строение. Характерным для мартенситного превраще­ния является также измель­чение блочной структуры, по­явление в кристаллах мар­тенсита большого числа мак­родвойников, повышение плот­ности дислокаций, что наряду с образованием пересыщенно­го углеродом твердого раст­вора с тетрагональной кри­сталлической решеткой обус­лавливает высокую твердость мартенсита (HRC=60-65). Чем больше углерода в мар­тенсите, тем выше его твер­дость и хрупкость.

Превращение аустенита в мартенсит идет в интерва­ле температур М_н - М_к (М_н - начало превращения, М _к - конец превращения). Положение точек М_н и М_к зависит от химичес­кого состава аустенита. Чем больше углерода в аустените, тем ниже температура мартенситного превращения. При содержании уг­лерода более 0,8% мартенситное превращение заканчивается при температурах ниже нуля, и поэтому в закаленной стали остается большое количество остаточного аустенита, для разложения ко­торого применяется обработка холодом.

В интервале температур 550°С – М_н (рис.3) происходит промежуточное превращение. При изотермической выдержке в этой области образуется структура игольчатого троостита, именуемого бейнитом. Промежуточное (бейнитное) превращение сочетает в себе элементы перлитного и мартенситного превращения.

При выполнении данной лабораторной работы применяется закалка с непрерывным охлаждением в воде, в масле, на воздухе.

Для качественного суждения о характере получаемых структур при непрерывном охлаждении следует на С - кривые наложить кривые охлаждения закаливаемых образцов, что сделано на рис.5 для эвтектоидной стали. При небольшой скорости охлаждения вектор V₁ пересекает линии изотермического распада аустенита при высоких температурах, и продуктом превращения будет перлит.

С увеличением скорости охла­дения вектора V₂ и V₃ пересекают С–кри­вую при большем переохлаждении, и про-дуктами распада аустенита бу­дут более мелкие смеси ферри­та и цементита - сорбит и троостит соотве­тственно. При охлаж­дении со скоростью V₄, не происходит полного распада аусте­нита на ферритно-цементитная смесь, а часть его переохлажда­ется до точки М_н, в результате чего образуется структура, состоящая из троостита и мартенсита. При очень больших ско­ростях охлаждения (вектор V₅) весь аустенит переохлаждает­ся до точки М_н и превращается в мартенсит.

Вектор V_к, (касательный к выступу С - кривой) характе­ризует минимальную скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит и называется критической скоростью охлаждения. При закалке стали обычно стремятся получить структуру мартенсита, и поэтому скорость охлаждения должна быть не меньше критической. Среднеуглеродистуга сталь (детали среднего размера) калят на мартенсит, охлаждая в холодной воде.

Так как увеличение скорости охлаждения приводит к по­степенному снижению температуры превращения переохлажденного аустенита и изменению структуры продуктов распада, то при этом закономерно изменяются свойства.

С увеличением скорости охлаждения повышается прочность и снижается пластичность стали.