1. Краткие теоретические сведения

1. Нагрев стали. Превращение перлита в аустенит

Превращение перлита в аустенит в соответствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов происходит при температуре, соответствующей критической точке A_С1 (727°C, линия PSK). Это превращение можно записать, согласно диаграмме железо-цементит: П (Ф + Ц) → А, где Ф (феррит) содержит 0,02 % углерода, Ц (цементит) – 6,67 % углерода и А (аустенит) – 0,8 % углерода. Оно состоит из двух одновременно протекающих процессов: полиморфного (аллотропического) превращения феррита в аустенит – α-Fe (ОЦК) → γ-Fе (ГЦК) и растворения перлитного цементита в образовавшемся аустените.

Этот процесс возможен только при перегреве стали выше Ас₁ на (30  50)°С, что обеспечивает образование устойчивых центров кристаллизации аустенита. Таким образом, механизм процесса превращения перлита в аустенит состоит в зарождении центров кристаллизации зерен аустенита на межфазной поверхности раздела феррита и цементита и рост его зерен из этих центров с растворением в них цементита, что наглядно прослеживается на примере эвтектоидной стали (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема перекристаллизации перлита в аустенит

Так как рост зерен аустенита идет из большого числа центров кристаллизации внутри перлитной колонии (бывшего крупного, исходного зерна аустенита), при завершении этого процесса в исходном объеме образуется множество более мелких зерен, т.е. превращение перлита в аустенит сопровождается измельчением зерна стали.

Эта особенность фазовой перекристаллизации широко используется в практике термической обработки для получения мелкозернистой стали (отжиг, нормализация, закалка). Зерно аустенита в момент окончания перлитно-аустенитного превращения называется начальным зерном.

2. Рост зерна аустенита при нагреве стали

Дальнейший нагрев (выше A_С1) или выдержка после окончания превращения ведет к росту аустенитных зерен. Рост зерна аустенита происходит самопроизвольно и вызывается стремлением системы к снижению термодинамического потенциала (свободной энергии) за счет сокращения поверхности зерен (поверхностной энергии). Происходит «слияние» мелких (начальных) зерен аустенита в крупные зерна. Чем выше температура нагрева и чем длительнее выдержка, тем они будут крупнее.

После нагрева и выдержки стали размер ее зерен при последующем охлаждении сохраняется таким, же каким был при выбранном температурном режиме.

Зерно стали, полученное в результате той или иной обработки, называется действительным зерном. Оно характеризуется номером или баллом и определяется сравнением под микроскопом (при 25 – 800-кратном увеличении) со шкалой ГОСТ 5639-82. Стали с баллом зерна, соответствующим № –3  +5 являются крупнозернистыми, с зерном № 6  14  мелкозернистыми.

Процесс роста зерен аустенита при нагреве называется перегревом стали, а крупнозернистая сталь (с крупным действительным зерном), образовавшаяся в результате перегрева называется перегретой сталью.

На свойства стали влияет только размер действительного зерна. Стали с мелкозернистой структурой имеют более высокую динамическую и усталостную прочность, низкий порог хладноломкости.

Укрупнение зерна (иногда в 2 – 3 раза) снижает ударную вязкость, работу развития трещины, повышает порог хладноломкости и почти не отражается на твердости и статической прочности. Крупнозернистые стали более склонны к короблению и растрескиванию при закалке.

Образование крупного действительного зерна и снижение ударной вязкости в результате высокотемпературного нагрева называется перегревом стали.

Перегрев  дефект обработки стали. Он может быть исправлен повторной перекристаллизацией, т. е. полным отжигом или нормализацией.

Перегрев до значений температуры, близких к линии солидус, вызывающий окисление границ зерен, называется пережогом стали.

пережог  неисправимый дефект структуры. Сталь утрачивает прочность. Излом таких сталей – камневидный.