8.2. Превращения, протекающие в стали при нагреве и охлаждении

Любой технологический процесс термообработки стали (закалка, от­жиг, отпуск) состоит из определенных комбинаций следующих основных четырех превращений протекающих в сталях при термообработке:

1)превращения, протекающего при нагреве (превращение перлита в аустенит);

2)превращения, протекающего при охлаждении, (превращение аустенита в перлит);

3)превращения, протекающего при закалке (превращение аустенита в мартенсит);

4)превращения, протекающего в закаленной стали при отпуске (пре­вращение мартенсита в

феррито - цементитную смесь).

8.2.1. ПРЕВРАЩЕНИЕ ПЕРЛИТА В АУСТЕНИТ ПРИ НАГРЕВЕ

Превращение перлита (Ф+Ц) в аустенит (А) происходит путем обра­зования зародышей аустенитной фазы и их последующего роста. Указанные зародыши могут образовываться лишь при нагреве до температур при кото­рых аустенит является более устойчивой фазой, чем смесь феррита и цемен­тита. В соответствии с диаграммой состояния Fe-Fe₃C это возможно лишь при нагреве перлита выше равновесной температуры фазового превраще­ния перлита в аустенит, определяемой критической точкой А₁=727°С.

Центры кристаллизации аустенита возникают в кристаллах феррита в тех участках, где они обогащены атомами углерода, как правило, на грани­цах зерен феррита, примыкающих к кристаллам цементита. Появившиеся зародыши аустенита с увеличением времени изотермической выдержки рас­тут. Движущей силой процесса является выигрыш свободной энергии систе­мы, связанный с одной стороны с перестройкой решетки феррита в аустенит и растворением цементита в аустените, а с другой стороны повышением по­верхностной энергии, обусловленным появлением новых границ раздела.

После полного превращения перлита в аустенит, необходимо допол­нительное время для выравнивания концентрации углерода в различных областях кристаллов. С повышением температуры скорость выравнивания состава за счет диффузии возрастает и длительность гомогенизации сплава сокращается. В целом, весь процесс превращения перлита в аустенит можно разбить на 3 этапа (рис.8.1.):

а) образование аустенита во всем объеме;

б) растворение в нем пластинок цементита;

в) последующая гомогенизация аустенита.

Время превращения перлита в аустенит

Рис.8.1. Диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит:

1 - начало превращения перлита в аустенит;

2 - конец превращения перлита в аустенит;

3 - конец распределения цементита в аустенит;

4 - конец гомогенизации аустенита.

Однофазная аустенитная структура в результате описанного выше про­цесса превращения перлита в аустенит наблюдается только в сталях эвтектоидного состава. В доэвтектоидных сталях после превращения перлита в аустенит остается избыточная фаза - феррит, в заэвтектоидных - цементит. Для их превращения в аустенит доэвтектоидные стали необходимо нагреть до температуры выше А_с3, а заэвтектоидные - А_ст .

Величина образовавшегося зерна аустенита имеет большое влияние на свойства стали. По склонности аустенитного зерна к росту различают на­следственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые стали.

Стали раскисленные (Раскисление стали— процесс удаления из расплавленных сплавов растворённого в них кислорода, который является вредной примесью, ухудшающей механические свойства металла. Для раскисления применяют элементы (или их сплавы, например ферросплавы), характеризующиеся большим сродством к кислороду, чем основной металл. Так, сталь раскисляют алюминием, который образует весьма прочный окисел Al₂O₃, выделяющийся в жидком металле в виде отдельной твёрдой фазы. Также используют углерод, ферросилиций и ферромарганец для раскисления стали) в процессе плавки только Si и Мn обладают по­вышенной склонностью к росту зерна с повышением температуры, и назы­ваются наследственно крупно зернистыми. Стали раскисленные Si, Мn, Аl - наследственно мелкозернистые.

На величину зерна аустенита оказывает влияние также скорость нагре­ва: с повышением скорости нагрева величина зерна аустенита уменьшается. Это связано с тем, что при больших скоростях нагрева скорость зарождения центров аустенита опережает скорость роста кристаллов аустенита.

Обычно наследственно мелкозернистые стали обладают лучшими техноло­гическими свойствами и при термообработке менее чувствительны к перегревам. Крупнозернистые стали обладают пониженными ударной вязкостью, сопротив­лением отрыву, повышенным температурным порогом хладноломкости.

Неправильный режим нагрева может привести либо к перегреву, либо к пережогу стали. Нагрев доэвтектоидных сталей значительно выше темпе­ратуры точки А_с3 приводит к интенсивному росту зерен и к выделению фер­рита при охлаждении стали в виде пластинчатых и игольчатых кристаллов. Такая структура называется видманштеттовой. Структура такой стали мо­жет быть исправлена повторным нагревом до оптимальной температуры.

Пережог стали наблюдается при нагреве ее до температур близких к температуре солидус. При пережоге происходит окисление границ зерен, в результате чего прочность стали резко снижается. Пережог является неисп­равимым браком.

Таким образом, от качества осуществления первого превращения при термической обработке во многом зависит ее конечный результат.

8.2.2. ПРЕВРАЩЕНИЕ АУСТЕНИТА В ПЕРЛИТ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ

При охлаждении аустенита (А) ниже температуры А_r1 происходит его превращение в перлит, заключающееся в перестройке решетки ГЦК в ОЦК, выделении углерода из аустенита и образовании кристаллов цементита. Ско­рость распада аустенита зависит от степени переохлаждения и скорости диф­фузии углерода. В зависимости от степени переохлаждения различают три температурные области превращения аустенита:

1. - перлитного превращения;

2. - промежуточного или бейнитного превращения;

3. -мартенситного превращения.

Перлитное превращение протекает в области температур 727.. .500°С. По­скольку процессы диффузии достаточно развиты в этой области, то имеет место диффузионное превращение аустенита в перлит. Перекристаллизация происхо­дит на участках аустенита с наиболее дефектным строением, обычно по грани­цам зерен и в зонах с повышенной плотностью дислокаций. Толщина образую­щихся пластинок феррита и цементита зависит от степени переохлаждения, чем больше степень переохлаждения тем меньше степень дисперсности получаемой структуры. В зависимости от дисперсности продукта распада аустенита разли­чают перлит (размер пластинок 0,7 мкм), сорбит (0,25 мкм) и троостит (0,1 мкм).

Перлит одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз — феррита и цементита.

С увеличением степени дисперсности перлитных структур растет проч­ность и твердость сталей, но снижается пластичность. Лучшим сочетанием прочности и пластичности обладают сорбитные стали.

Для изучения влияния переохлаждения на устойчивость аустенита и ско­рость его превращения в перлит пользуются диаграммами изотермического распада аустенита (рис.8.2б), которые строят по кинетическим кривым пре­вращения аустенита при различных степенях переохлаждения (рис.8.2а). На основе этих кривых устанавливают время начала (Н) и конца (К) превращения аустенита при данной температуре. Нанося параметры Н₁,. Н_2, H₃ и К_1, K₂, K₃ на диаграмму, строят диаграмму изотермического превращения аустенита.

Диаграммы, подобные показанной на рис.8.2 называются также С-об- разными диаграммами. Кривая I на диаграмме показывает время начала рас­пада аустенита в зависимости от температуры. Кривая II показывает время конца распада аустенита. Эти линии делят поле диаграммы на ряд фазовых областей: левее линии I - область неустойчивого аустенита; правее линии II - область продуктов распада аустенита. Между линиями I и II существует аустенит и продукты его распада. Нижняя часть диаграммы соответствует превра­щению аустенита в мартенсит по бездиффузионному механизму при закалке.

Рис. 8.2. Превращения в аустените при охлаждении

Промежуточное превращение аустенита.

Промежуточное превраще­ние протекает в температурной области между 200 - 500°С. Оно протекает

при сравнительно низких температурах, когда диффузия атомов железа силь­но замедляется, а диффузия углерода протекает сравнительно легко.

Механизм превращения состоит в том, что внутри аустенита у одних участков происходит диффузионное перераспределение атомов углерода и эти участки аустенита обогащенные углеродом, превращаются в цементит. Обедненные участки бездиффузионным путем превращаются в мартенсит.

Бейнитное превращение имеет сходство как с перлитным, так и с мартенситным превращением. Сходство с перлитным превращением в том что:

а) процесс распада сопровождается диффузионным перераспределени­ем углерода;

б) в результате распада образуется мелкодисперсная феррито - цементитная смесь.

Отличие от перлитного превращения заключается в том, что зерна (пла­стинки) феррита несколько пересыщены по углероду 0,1 - 0,2% вместо 0,01 - 0,02. Промежуточное превращение идет как правило не до конца (в этом его сходство с мартенситным превращением) с сохранением остаточного аусте­нита А_ocт, который при дальнейшем охлаждении превращается в мартенсит или сохраняется. Различают верхний 350 - 550°С и нижний 240 - 350°С бейнит. В верхнем бейните выделение карбидов происходит, главным образом, из аустенита, в нижнем в кристаллах феррита.

Влияние легирующих элементов на превращение аустенита в перлит. Ввиду малой скорости диффузии как легирующих элементов, так и углерода в легированных сталях превращение аустенита в перлит при их охлаждении имеет ряд особенностей:

1. не карбидообразующие элементы Ni, Si, Al, Сu - замедляют превра­щения аустенита в перлит (они смещают линии начала и конца превращения аустенита вправо, не изменяя вида С-диаграммы);

2. карбидообразующие элементы Mn, Cr, Mo, W, V при температуре 400 - 500°С замедляют превращение аустенита в перлит (это отражается на форме кривых изотермического превращения аустенита на ней появляются два максимума);

3. время максимальной устойчивости аустенита увеличивается с уве­личением степени легированности стали;

4. в некоторых сталях (с 0,3 - 0,4%С и 10 - 12%Сr) отсутствует промежу­точное превращение;

5. для сталей с повышенным содержанием Сr, W, Мо отсутствует пер­литное превращение и реализуется только промежуточное превращение.

Таким образом, диаграммы изотермического превращения аустенита легированных сталей отличаются от углеродистых и могут быть различны.

Превращение аустенита при непрерывном охлаждении. Так как диаг­рамма изотермического распада аустенита строится в координатах "температура-время", то на эту диаграмму можно наложить линии скоростей ох­лаждения V₁ V₂ (рис.8.3). По данной методике можно получить приближен­ное представление о качестве образующихся структур.

Рис. 8.3. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении

При скоростях охлаждения V₁ V₂, V₃ , - образуются структуры соответ­ственно: перлита, сорбита и троостита. При скоростях охлаждения V₄-аустенит превращается в бейнит. При скоростях выше критической V>V_k- аустенит превращается в мартенсит.

Влияние скорости охлаждения на положение критической точки А_r1 и образование структуры в эвтектоидной стали показано в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Скорость охлаждения, град/с	Ar1 Мн		Образующаяся структура	HRC,
	Температура критической точки, °С
<10	700	-	перлит	15
10	650	-	сорбит	30
70	550	-	тростит	40
100	500-550	200	бейнит	50
150>	200	200	мартенсит	60

8.2.3. ПРЕВРАЩЕНИЕ АУСТЕНИТА В МАРТЕНСИТ

Мартенситом называют пересыщенный твердый раствор углерода в Fe_a с той же концентрацией углерода (2,14 %С), что и в исходном аустените.

Мартенситное превращение начинается при температуре, называемой мартенситной точкой М_н и протекает в широкой области температур. Тем­пературу при которой мартенситное превращение заканчивается обознача­ют точкой М_к. Минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается только в мартенсит, называется критической скоростью ох­лаждения, или критической скоростью закалки.

Особенности мартенситного превращения:

1. мартенситное превращение носит бездиффузионный характер, так как полиморфное превращение сопровождается перестройкой кристалличес­кой решетки ГЦК в ОЦК - без выделения углерода.

2. мартенситное превращение протекает только при непрерывном ох­лаждении аустенита (со скоростью выше критической) ниже температуры начала мартенситного превращения;

3. положение точек начала и конца мартенситного превращения зави­сит только от химического состава стали. Чем больше в стали углерода, тем ниже температура точек М_н и М_к. Все легирующие элементы за исключением Со и А1 понижают точки М_н и М_к;

4. мартенситное превращение не протекает до конца. В сталях содер­жащих свыше 0,4 - 0,5% углерода всегда присутствует остаточный аустенит. Его количество тем больше, чем ниже температура точек М_н и М_к, т.е. чем выше в аустените содержание углерода;

5. превращения аустенита в мартенсит происходит с изменением объе­ма (для стали с 1% С изменение объема достигает 1%). Это создает большие микронапряжения, вызывающие дробление блоков и фазовый наклеп. Внут­ренние напряжения тем выше, чем больше углерода в стали.

Характерными свойствами для сталей с мартенситной структурой явля­ются высокая твердость и малая пластичность. Твердость мартенсита зависит главным образом от содержания углерода и мало изменяется от наличия леги­рующих элементов. Хрупкость стали увеличивается с увеличением содержа­ния углерода. Вязкость закаленной углеродистой невелика из-за неоднород­ности мартенсита, что приводит к концентрации напряжений. Вследствие это ­го возможно образование микротрещин, накопление которых приводит к по­тере пластичности и к хрупкому разрушению стали. Для повышения конст­рукционной прочности все стали после закалки подвергаются отпуску.

8.2.4. ПРЕВРАЩЕНИЯ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ ПРИ ОТПУСКЕ

Отпуском называют термическую обработку, заключающуюся в нагреве закаленных сталей до температур ниже А _с1 с выдержкой при данной температу­ре и с последующим охлаждением. Различают четыре основных стадии отпуска.

Первая стадия отпуска - зарождение карбидов, происходит при нагреве закаленной стали до температур 200°С. На этой стадии происходит пере­распределение углерода в мартенсите и образуются участки, где концентра­ция атомов углерода значительно выше среднего количества его в решетке мартенсита. На этих участках образуются зародыши карбидной фазы. Та­кой мартенсит называется мартенситом отпуска.

Вторая стадия отпуска - обособление карбидов в самостоятельные кристаллы - происходит при нагреве закаленной стали до 200 - 300°С (остаточ­ный аустенит превращается в отпущенный мартенсит).

Третья стадия отпуска – коагуляция карбидов ( коаг-я объединение частиц при их соприкосновении) - происходит в интервале 300 - 400°С. Скорость диффузии при этих температурах значительно увели­чивается, весь избыточный углерод постепенно выделяется из решетки Fe_a, карбиды обособляются и начинают расти. Образуется высокодисперсная смесь феррита и цементита, называемая трооститом отпуска.

Четвертая стадия - рост карбидов - происходит при нагреве выше 400 °С. На этой стадии происходит постепенный рост частичек карбида. При 550 - 600 °С размер их составляет 0,1 - 0,2 мкм. Такая структура называется сорбитом отпуска. При нагреве закаленной стали до 650 - 700 °С получают пер­лит отпуска с размером частиц ~ 0,3 мкм. С повышением температуры отпуска прочностные свойства углеродистых сталей понижаются, свойства пластичности растут.

Структура стали после отпуска на 400 - 600 °С состоит из сорбита отпуска, свойства которого выше обычного сорбита, получившегося при распаде аустенита. В связи с этим термообработку на сорбит отпуска называют улучшением.

В легированных сталях по сравнению с углеродистыми, вторая и тре­тья стадия отпуска проходят при более высоких температурах. Это связано с тем, что легирующие элементы ; уменьшают скорость диффузии углерода и легирующих элементов в твердом растворе, поэтому температуры всех стадии отпуска в легированных сталях сдвигаются в области более высоких тем­ператур. Тип карбидов, образующихся в легированных сталях при отпуске, зависит от температуры. При температурах менее 400°С диффузия легирую­щих элементов затруднена. При, этих температурах преимущественно обра­зуются карбиды железа, при более высоких - специальные карбиды, в состав которых входят легирующие элементы.

В легированных сталях различают низкий отпуск (с нагревом до 250°С), средний (350-500°С) и высокий (500-680°С).

В легированных сталях при температурах отпуска 500 - 600 °С из мар­тенсита этих сталей выделяются мелкодисперсные карбиды W, V, Сr, Мо, которые резко повышают твердость стали приблизительно в 1,5 раза. Это явление носит название дисперсионного твердения.

В результате отпуска снижаются прочностные и повышаются пласти­ческие характеристики стали, происходит изменение ударной вязкости ста­ли. Явление снижения ударной вязкости при отпуске получило название от­пускной хрупкостью. В зависимости от характера изменения ударной вязко­сти при отпуске все стали можно разбить на две группы:

1. углеродистые стали и стали, легированные не карбидообразующими элементами. Стали этой группы имеют провал ударной вязкости после отпуска при Т=250-350°С (отпускная хрупкость первого рода);

2. стали легированные карбидосодержащими элементами и стали ком­плексно легированные. Для таких сталей кроме охрупчивания при 200 - 400 °С, наблюдается второй провал ударной вязкости при 500 - 550 °С (отпуск­ная хрупкость второго рода).

Отпускная хрупкость не только снижает ударную вязкость, но вызыва­ет повышение температурного порога хладноломкости.

Первопричиной отпускной хрупкости 1 рода является неоднородность распада аустенита по объему и выделение и обособление цементита из ре­шетки твердого раствора. Для ее устранения требуется нагрев выше темпе­ратур 400°С, снижающий прочностные характеристики.

Отпускная хрупкость 2 рода возникает при температурах, когда про­исходит обособление (выделение) легированных или специальных карбидов из твердого раствора по границам зерен и адсорбция на границах зерен фос­фора, серы и других элементов, приводящих к более легкому зарождению трещин. Отпускная хрупкость 2 го рода может быть устранена повторным нагревом до 600-650°С и быстрым охлаждением.

Меры борьбы с хрупкостью:

1. для изделий работающих при температурах ниже 300°С рекоменду­ется быстрое охлаждение после высокого отпуска;

2. в изделиях работающих при температурах выше 300°С рекомендует­ся минимальное содержание некарбидообразующих элементов (Si, Ni и воз­можна большая очистка от примесей типа Р, N, Н, О), а также легирование Мо (0,3 - 0,6%) и ванадием (0,7 - 1,2 %).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НА ПАМЯТЬ

8.1. Различают следующие основные виды термообработки: отжиг; за­калку; отпуск; деформационно-термическую обработку; химико-термическую обработку.

2. При термообработке стали наблюдается четыре основных превращения

   1. - превращения, протекающие в стали при нагреве (превращение перлита в аустенит);

   2. - превращения, протекающее в стали при охлаждении, (превра­щение аустенита в перлит);

   3. - превращения, протекающие в стали при закалке (превращение аустенита в мартенсит);

   4. - превращение, протекающие в закаленной стали при отпуске (пре­вращение мартенсита в феррито-цементитную смесь).

3. Различают наследственно крупнозернистые и наследственно мел­козернистые стали. Стали раскисленные только Si и Мп обладают повышен­ной склонностью к росту зерна с повышением температуры, такие стали на­зывают наследственно крупно зернистыми. Стали раскисленные Si, Mr», А1 - наследственно мелкозернистые.

4. Обычно наследственно мелкозернистые стали обладают лучшими технологическими свойствами. При термообработке они менее чувствитель­ны к перегревам. Крупнозернистые стали обладают пониженными механи­ческими свойствами (ударной вязкостью, сопротивлением отрыву, повышен­ным температурным порогом хладноломкости стали).

5. Характерными свойствами для сталей с мартенситной структурой являются высокая твердость и малая пластичность. Твердость мартенсита зависит главным образом от содержания углерода и мало изменяется от на­личия легирующих элементов.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Кем заложены основы термообработки?

2. Какие существуют разновидности отжига 1 рода?

3. Для чего проводят отжиг 2 рода?

4. Что такое закалка?

5. Что такое нормализация?

6. Перечислите виды отпуска?

7. Какие стали называются наследственно мелкозернистыми?

8. В чем сходство бейнитного превращения с перлитным, а в чем от­личие?

9. Какие элементы замедляют превращения аустенита в перлит в ле­гированных сталях?

10. Перечислите особенности мартенситного превращения?