Превращения в стали при охлаждении

Рассмотрим превращение аустенита в перлит и другие проме­жуточные превращения при охлаждении эвтектоидной стали, нагретой до 900 °С.

Сначала рассмотрим медленное охлаждение аустенита. В интервале температур 900...727 °С аустенит охлаждается без превращений. При достижении температуры точки Аг₁ (727 °С) должно начаться превращение аустенита в перлит. Однако при этой температуре свободные энергии аустенита и перлита примерно равны, и превращение не протекает. Для начала превращения необходимо некоторое переохлаждение аустенита, когда свободная энергия перлита будет меньше свободной энергии аустенита. Скорость протекания превращения А→П тем больше, чем больше переохлаждение.

Превращение аустенита в перлит может протекать как при непрерывном охлаждении стали ниже температуры точки Аг₁, так и при выдержке стали при определенных, постоянных тем­пературах (степенях) переохлаждения (также ниже точки Аг₁). В последнем случае превращение аустенита называют изотермическим. Рассмотрим процессы, протекающие при этом.

Рис. 9.4. Диаграмма изотермического превра­щения аустенита в зависимости от темпера­туры переохлаждения;

/—перлитное превращение; //— бейнитное (промежуточное превращение); /// — мартенситное превращение.

Превращение аустенита в перлит при постоянных темпера­турах и различных степенях переохлаждения стали. При медленном охлаждении превращение аустенита в перлит начина­ется примерно при 700 ... 650 °С, что соответствует переохлаж­дению на 27... 77 °С. Это превращение состоит из трех стадий.

1. Полиморфное превращение Fе_γ в Fе_α путем перегруппировки атомов железа из решетки г. ц. к. в решетку о. ц. к. с одновременным смещением атомов углерода внутри одной элементарной кристаллической решетки, что приводит к искажению последней, так как углерод остается в решетке Fе_α в том же количестве, что и в исходном аустените; этот процесс происходит весьма быстро (практически мгновенно).

2. Флуктуация углерода в определённых местах и выделения путём диффузии мельчайших частиц цементита; процесс происходит в течение некоторого времени, определяемого ско­ростью диффузии углерода. Процесс диффузионного распада пересыщенного твёрдого раствора Fе_α ( в котором имеется избыточное количество углерода) происходит путем формирования частиц FезС и их выделения из твёрдого раствора. В результате этого в твердом растворе Fе_α уменьшается концентрация углерода до 0,02%; раствор имеет неискаженную кри­сталлическую решетку. В этой стадии получается смесь двух фаз (Fе_α + Fе_зС), но одна из них (цементит) находится в со­стоянии высокой дисперсности.

Рис. 9.3. Микроструктура эвтектоидной стали в зависимости от. температуры превра­щения аустенита (Х1000):

а—перлит; б—сорбит, в — троостит, г—бейнит, д—мартенсит

3. 0бразование более крупных кристаллов ( пластинок) цементита на ферритной основе коагуляцией выделившихся высокодисперсных частиц – это процесс роста кристаллов цементита, протекающий в течение определенного времени.

Суммарное время трех стадий превращения состав­ляют 30-600 с. В резуль­тате медленного охлажде­ния (при переохлаждении аустенита на 50... 70 °С) когда успевают пройти все три стадии превращения, получается перлит (рис.9.3,а) — светлые ферритные зёрна, пронизанные пластинками цементита. Твердость такого перлита НВ 180-250.

Процесс превращения А→П протекает во времени и для того чтобы он полностью завершился, необходима выдержка при температуре начала превращения. Процесс изотермического превращения А→П можно изобразить графически (рис. 9.4). Нагретый образец медленно охлаждаем до 700 °С (начало превращения А→П); при этой температуре сделаем

выдержку. Установлено, что превращение аустенита в перлит при постоянной температуре начинается после некоторой выдержки (инкубационного периода). Длительность этого пе­риода определяется расстоянием от оси ординат при температуре примерно 700^оС до точки а₁, в которой начинается превращение А→П. Заканчивается процесс превращения в точке b_1. Следовательно, в области левее точки а₁ находится переохлаждённый аустенит; за время, определяемое отрезком а₁ b₁^,, происходит превращение А→П; правее точки b₁ область существования перлита.

Рис. 9.4. Диаграмма изотермического превра­щения аустенита в зависимости от темпера­туры переохлаждения;

/—перлитное превращение; //— бейнитное (промежуточное превращение); /// — мартенситное превращение.

При переохлаждении примерно на 70.. 120 °С аустенит превращается в перлит при постоянной температуре 600-650 ^оС. При этом продолжительность инкубационного периода уменьшается, превращение аустенита начинается в точке а₂ и заканчивается в точке b₂. Это свидетельствует о том, что при увеличении степени переохлаждения превращение аустенита протекает интенсивнее и в течение меньшего времени. Вследствие этого третья стадия распада аустенита ( образование более крупных пластинок цементита) не успевает закончится и дисперсность цементита получается более высокой ( размеры пластинок цементита достигают 10^-4 – 10^-5 мм. Такую тонкую структуру перлита называют сорбит (см. рис. 9.3, б); твёрдость сорбита ровна НВ 250-350.

При переохлаждении на 120...170 "С аустенит превраща­ется в перлит при постоянной температуре 600…550 °С. В этом случае инкубационный период получается минимальным (1,0-1,5 с).

Следовательно, с увеличением степени переохлаждения устойчивость аустенита уменьшается и становится минимальной при 550^оС. Превращение аустенита начинается в точке а₄ и заканчивается в точке b₄, т.е. продолжительность превращения ещё больше сократилась. При такой скорости превращения успевает закончиться только вторая стадия распада аустенита ( выделение мельчайших частиц цементита), а третья стадия начинается и не заканчивается. Выделенные частицы цементита на ферритной основе имеют размеры 10^-5 – 10^-6 мм. Такую структуру называют трооститом ( рис. 9.3,в); твёрдость его ровна НВ 350-450.

С увеличением степени переохлаждения до определённого значения скорость превращения А→П увеличивается, а продолжительность его уменьшается. При этом, уменьшается также и продолжительность инкубационного периода. Кривая а₁а₄ характеризует начало превращения А→П, а кривая b₁b₄ - его конец. В зависимости от степени переохлаждения получают перлит, сорбит и троостит. Все они представляют смесь феррита и цементита и отличаются друг от друга степенью дисперсности цементита, что и обуславливает их различную твёрдость.

При переохлаждении стали на 220...350 °С превращение аустенита начинается при 500...350 °С и ниже. При этом про­должительность инкубационного периода и продолжительность превращения, определяемого отрезком а₅b₅, возрастают. Это объясняется некоторым изменением характера превращения. При переохлаждении стали на 220-350^оС процесс диффузионного распада аустенита ( вторая стадия превращения) осуществляется медленно ввиду малой скорости диффузии при низких температурах, и до конца не завершается. В результате этого в феррите остаётся некоторое количество избыточ­ного углерода. Образующиеся во второй стадии превращения пересыщенный углеродом феррит и цементит ограничены в своем росте, поэтому следующая стадия превращения состоит главным образом в появлении новых кристаллов структурных составляющих. По существу, происходит объединение второй и третьей стадий превращения. Продолжительность такого пре­вращения составляет 400...900 с и более.

В результате превращения аустенита при низкой температуре (при большой степени переохлаждения) получается структура феррит + цементит с характерным игольчатым строением. Такую структуру называют бейнитом (рис.9.3,г) или игольча­тым трооститом; его твердость составляет около НВ 500. При превращении аустенита в бейнит в конечной структуре оста­ется некоторое количество переохлажденного аустенита. Бейнитное превращение аустенита является промежуточным между перлитным (второе основное превращение) и мартенситным (третье основное превращение).

На свойства получаемых структур (перлита, сорбита, троостита и бейнита) оказывает влияние величина их зёрен; образование зёрен представляет собой процесс зарождения центров (вторая стадия превращения) и роста кристаллов с опре­деленной скоростью (третья стадия превращения). Число цент­ров кристаллизации зависит главным образом от однородности аустенита и размера исходных его зерен. Чем крупнее зерна аустенита, тем, как правило, больше образующиеся из них зёрна новой структуры. Это объясняется тем, что зерна аусте­нита растут только при нагреве, а при охлаждении они не из­меняются.

Скорость кристаллизации зависит главным образом от состава и степени переохлаждения. При одном и том же составе стали с увеличением степени переохлаждения до определённого предела ( примерно на 150 °) скорость роста зерен возрастает, а при дальнейшем увеличении - уменьшается.

Установлено, что мелкозернистая структура стали обладает более высокими механическими свойствами, чем крупнозернистая.

На рис. 9.4 представлены две С-образных кривых изотер­мического превращения аустенита при различной степени переохлаждения. Верхняя часть С-образных кривых, охватываю­щих область температур от точки А₁ до температуры примерно 550°С, характеризует перлитные превращения (А→П). Нижняя часть С-образных кривых, охватывающая область темпера­тур примерно от 550 °С до температуры начала мартенситного превращения (М_н), характеризует бейнитное (промежу­точное) превращение (А→Б).

Приведенная на рис. 9.4 С-образная кривая начала превра­щения справедлива для эвтектоидных сталей. В доэвтектоидных сталях превращение аустенита начинается с образова­ния феррита, в результате чего оставшийся аустенит обога­щается углеродом. В заэвтектондных сталях это превращение начинается с выделения цементита; при этом оставшийся аустенит обедняется углеродом. Превращение аустенита в до- и заэвтектоидных сталях наступает тогда, когда содержание углерода в нём (после выделения феррита или цементита) достигнет 0,8%. Для этих сталей в верхней части С-образной кривой добавляется штриховая кривая, связанная с началом выделения феррита.

Превращение аустенита в перлит при непрерывном охлаж­дении стали.

Рассмотрим превращения в заэвтектоидной стали, нагретой до 900 °С, при охлаждении ее с разной скоростью.

Рис. 9.4. Диаграмма изотермического превра­щения аустенита в зависимости от темпера­туры переохлаждения;

/—перлитное превращение; //— бейнитное (промежуточное превращение); /// — мартенситное превращение.

На диаграмму изотермического распада аустенита нанесем прямые непрерывного охлаждения стали (см. рис. 9.4), где по оси абсцисс—время в логарифмической шкале). Линия неболь­шой скорости v₁ охлаждения стадии пересекает С-образные кри­вые в точках a₁ и b₁^’. Сравнивая отрезки а₁b₁ и а₁b₁', видим, что продолжительность превращения А→П при непрерывном охлаждении значительно меньше продолжительности изотерми­ческого превращения А→П.

При более быстром охлаждении линии v₂ и v₃ пересекают С-образные кривые соответственно в точках a₂ и b₃ , a₃ и b₄, которым отвечают более низкие температуры начала и конца превращения. С увеличением скорости непрерывного охлаж­дения, которая увеличивает степень переохлаждения, продол­жительность превращения сокращается, что приводит к образованию более дисперсных продуктов распада.

При дальнейшем увеличении скорости непрерывного охлаж­дения линия v ₄ пересечет только первую С-образную кривую в точках a₄ и a₅. Следовательно, при большой скорости охлаждения процесс превращения аустенита произоидёт только частично и структура будет состоять из бейнита и остаточного аустенита, который при более глубоком охлаждении превра­щается в мартенсит. Если охлаждать аустенит с весьма большой скростью , то линия v₅ не пересечет С-образные кривые. Это означает, что аустенит сохраняется до температуры примерно 200 °С, при которой он превращается в мартенсит.

Следовательно, быстрое охлаждение приводит к закалке стали. Из этого можно сделать вывод, что для обеспечения за­калки стали ее надо охладить с такой скоростью, чтобы не успели произойти процессы распада аустенита в верхней об­ласти температур. Линия v_к, проведенная из критической точки А₁ и характеризующая минимальную скорость охлаждения ау­стенита без распада в верхней области температур, должна быть касательной к первой С-образной кривой. Такая скорость необходима для обеспечения переохлаждения аустенита до мартенситного превращения; ее называют критической скоростью закалки.

Следует отметить, что наложение прямых непрерывного охлаждения стали на диаграмму изотермического распада ау­стенита, показывая различия во времени протекания процессов, дает лишь приближенную качественную оценку характера превращения. Для более точной оценки превращений, совер­шающихся при непрерывном охлаждении, строят для каждой марки стали термокинетические диаграммы превращения ау­стенита в координатах температура—время, на которых нано­сят области начала и конца перлитного и бейнитного (проме­жуточного) превращений.