Фазовые превращения в сталях

Обновлено: 02.05.2024

Все изготовленные из стали изделия в процессе их получения и эксплуатации подвергаются воздействию изменяющихся температур. В результате нагрева и охлаждения происходят фазовые превращения, влияющие на структуру и свойства сталей.

Эти превращения можно разбить на три группы:

1. Превращения в стали при нагреве.
2. Превращения при охлаждении.
3. Превращения при нагреве закаленных сталей.

Превращения в стали при нагреве

Температуры, при которых происходят изменения в структуре, принято называть критическими точками. При нагреве стали выделяют следующие точки:

Ас₁ – превращение перлита в аустенит (линия РSК диаграммы состояния Fe – Fe₃С);

Ас₃ – соответствует переходу последних кристаллов феррита в аустенит при нагреве (линия GS);

Ас_m – конец растворения вторичного цементита в аустените (линия SE).

Во всех сплавах железа с углеродом нагрев выше критической точки Ас₁ приводит к превращению перлита в аустенит. В эвтектоидной стали (0,8% С) при дальнейшем повышении температуры никаких фазовых превращений не происходит вплоть до линии солидус. В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях после превращения перлита в аустенит еще остаются избыточные фазы (феррит в доэвтектоидных и цементит в заэвтектоидных). Для получения однофазной аустенитной структуры доэвтектоидные стали необходимо нагреть до температуры выше Ас₃, а заэвтектоидные - Ас_m. Зерна аустенита, образующиеся при нагревании стали выше точки Ас₁, получаются мелкими. При дальнейшем повышении температуры нагрева или длительности выдержки при данной температуре происходит рост аустенитного зерна. От размера зерна аустенита, образовавшегося при нагреве, зависит размер зерна продуктов распада аустенита при охлаждении.

Скорость роста аустенитного зерна различна у разных сталей и даже у одной стали, изготовленной по различным технологиям.

По склонности к росту зерна различают два вида сталей: 1) наследственно мелкозернистые и 2) наследственно крупнозернистые.

К наследственно крупнозернистым относятся стали, раскисленные ферросилицием и ферромарганцем. Стали, дополнительно раскисленные алюминием, - наследственно мелкозернистые. Большинство легирующих элементов (хром, молибден, ванадий, титан и др.) способствуют получению наследственного мелкого зерна. Однако есть и исключения. Марганец, бор и фосфор способствуют росту зерна аустенита. Наследственное зерно – это технологическая характеристика.

Термин „наследственно крупнозернистая” или ”наследственно мелкозернистая” сталь не означает, что данные стали всегда будут иметь крупное или мелкое зерно. „Наследственное зерно” определяет лиш склонность зерна к росту. Поскольку наследственно мелкозернистая сталь при высокой температуре нагрева может иметь более крупное зерно аустенита, чем наследственно крупнозернистая, введено понятие „действительного зерна”, т.е. зерна аустенита, определяемого температурой нагрева и продолжительностью выдержки при последней операции термообработки.

Механические свойства (ударная вязкость, предел усталости) зависят только от величины действительного зерна.

Если в сталях в результате нагрева образовалось крупное зерно (перегрев), неблагоприятно влияющее на свойства, то его исправляют повторной аустенизацией с меньшим перегревом относительно критических точек.

Превращения в стали при охлаждении.

Аустенит устойчив в углеродистой стали при температуре ³727°С (Ас_І). Если его охладить ниже этой температуры, то он оказывается в неустойчивом состоянии и претерпевает превращение. Это превращения может идти двумя путями: изотермически и при непрерывном охлаждении.

Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита, т.е. выше Ас₃ для доэвтектоидной стали. Ас_І - для эвтектоидной и Ас_m – заэвтектоидной. Затем быстро охлаждают (переохлаждают) до температур ниже Ас₃ (например, до 700, 600, 500 и т.д.) и выдерживают при этих температурах до полного превращения аустенита. Превращение аустенита начинается не сразу, а через некоторый промежуток времени (инкубационный период). Инкубационный период при разных температурах различен. По зафиксированным точкам начала и конца превращения аустенита строят диаграммы, в координатах температура-время (для времени принят логарифмический масштаб).

На рис 3.1.2.1 приведена диаграмма изотермического превращения аустенита стали с 0,8% углерода. Область, лежащая левее кривой начала распада аустенита, относится к инкубационному периоду; переохлажденный аустенит практически не претерпевает распада. С увеличением степени переохлаждения длительность инкубационного периода уменьшается, достигая минимума при температуре 550°С, а далее вновь возрастает.

В зависимости от характера превращений, протекающих в переохлажденном аустените, на диаграмме различают три температурные области превращения.

Рис 3.1.2.1. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита в эвтектоидной стали (0,8%С)

1. Перлитная (диффузионная) область – от точки Ас_І до изгиба изотермической диаграммы (550° С). При этих температурах происходит диффузионный распад аустенита с образованием структуры, состоящей из феррита и цементита. При небольших степенях переохлаждения аустенит превращается в перлит (грубая ферритоцементитная смесь). Чем ниже температура изотермической выдержки, тем мельче пластинки феррита и цементита. Мелкопластинчатый (дисперсный) перлит, образующийся при 600-650° С, называется сорбитом.

В районе выступа кривых начала и конца распада получается высокодисперсный перлит, который называют трооститом. По мере повышения дисперсности строения прочность и твердость возрастают, а пластичность снижается. Твердость перлита 10-15 HRC, сорбита – 30-35 HRC, троостита – 40-45 HRC.

2. Область промежуточного превращения – от изгиба кривой (550° С) до точки Мн. Аустенит в этой области превращается в структуру, называется бейнитом (игольчатым трооститом). Бейнит состоит из мелкодисперсных частичек (игл) феррита и цементита. Размер этих частиц еще меньше, чем у троостита. Концентрация углерода в феррите выше равновесной (~0,1%), твердость бейнита ~50 HRC

3. Область мартенситного (бездиффузионного) превращения – ниже 240°.

При больших степенях переохлаждения происходит быстрая перестройка Ү - железа в α- железо. Времени на диффузионные процессы не остается, углерод не успевает выделиться из аустенита в виде частиц цементита, как это происходит при образовании перлитных структур. Он остается в ОЦК решетке Fe - a, искажая ее. Пресыщенный твердый раствор углерода в Fe - a называется мартенситом.

Мартенсит – очень твердая и прочная структура. Но пластичность и вязкость его низки. В мартенсите имеются, высокие остаточные напряжения, возникающие из-за увеличения удельного объема, вызванного фазовыми превращениями. Превращение аустенита в мартенсит начинается при определенной температуре, называемой Мн. По мере снижения температуры количество аустенита уменьшается, а количество мартенсита возрастает. Окончание превращения происходит в точке Мк – конца превращения. Положение точек Мн и Мк не зависит от скорости охлаждения и определяется химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже лежат точки Мн и Мк.

Характерным для мартенситного превращения является то, что даже при температуре ниже Мк в стали наряду с мартенситом присутствует некоторое количество остаточного аустенита.

В процессе термической обработки стали часто превращение переохлажденного аустенита происходит не при изотермической выдержке, а при непрерывном охлаждении. Так как диаграмма изотермического распада аустенита построена в координатах температура-время, то на нее можно наложить линии охлаждения стали. (рис 3.1.2.2).

Наклон линии охлаждения в каждый рассматриваемый момент определяется скоростью охлаждения.

Рис 3.1.2.2. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита в эвтектоидной стали с наложенными на нее линиями охлаждения.

Вектор V₁ (медленное охлаждение вместе с печью) пересекает линии диаграммы изотермического распада аустенита при высоких температурах и малом переохлаждении, и продуктом превращения является перлит.

С увеличением скорости охлаждения векторы V₂ (охлаждение на воздухе) и V₃ (охлаждение в масле) пересекают линии диаграммы при более низких температурах и образуются более мелкие феррито-цементные смеси – сорбит и троостит.

При скорости охлаждения V₄ полного превращения аустенита в феррито-цементную смесь не происходит, часть его переохлаждается до точки Мн, в результате чего образуется структура, состоящая из троостита и мартенсита (охлаждение в масле, мелкие изделия).

V₅ - вектор, который направлен по касательной к выступу изотермической кривой, приводит к переохлаждению всего аустенита до температуры ниже точки Мн и образованию мартенситной структуры. V₅(V_кр) называется критической скоростью закалки (минимальная скорость охлаждения, при которой образуется мартенсит без продуктов перлитного распада). Для углеродистой стали это вода. При скорости охлаждения V₆ также образуется мартенситная структур (водные растворы солей, щелочей).

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.018)

Основные превращения в стали

Фазовые превращения, которые совершаются в стали также, как и превращения при кристаллизации обуславливается тем, вследствие изменения внешних факторов (температуры) происходит переход из одного состояния в другое, оказавшееся более устойчивым при данной температуре. Основными в стали являются три структуры - аустенит, мартенсит, перлит. Основные превращения в стали харак­теризуются переходом этих структур из одного в другую.

При термической обработке стали наблюдаются 4 основных превращения..

1. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки А₁, т. е. выше температуры стабильного равновесия А«П . При этих температурах их 3-х основных структур минимальной свободной энергией обладает аустенит.

Fea (С) + Fe₂С ® Fe g(С)

2. Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже Ас₁

3. Превращение аустенита в мартенсит

4. Превращение мартенсита в феррито-карбидную смесь

(Первое основное превращение)

Превращение перлита в аустенит в полном соответствии с диаграммой Fе-С может совершится лишь при очень медленном нагреве. При обыч­ных условиях превращение запаздывает и получается перенагрев. Перенагретый выше критической точки перлит с различной скоростью превращается в аустенит. Скорость превращения зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше скорость превращения. Теоретически при нагреве с бесконечно малой скоростью луч нагрева пересечет кривые начала и конца превращения, пересекающиеся в бесконечности. Превращений А « П произой­дет согласно диаграмме равновесного состояния. Реально превращение П « А происходит не при одной температуре, а в интервале температур, расположенных тем выше, чем выше нагревает­ся сталь. Окончание процесса превращения характеризуется образовани­ем аустенита и исчезновением перлита. Вновь образовавшийся аусте­нит неоднороден в объеме. В местах, где были пластинки цементита содержание углерода больше, чем в местах, где располагались пластинки феррита. Для получения однородного гомогенного аустенита необходима выдержка при температуре аустенизации для завершения диффузионных процессов, внутри аустенитного зерна. Скорость описан­ных реакций зависит от степени дисперсности цементита и от его формы. Чем меньше частицы цементита, тем быстрее происходит превращение.

2. Рост аустенитного зерна. На первой стадии превращения перли­та в аустенит происходит образование большого количества мелких зерен аустенита. Размеры этих зерен характеризует так называемое начальное зерно аустенита.

Дальнейший нагрев или выдержка обуславливает рост аустенитных зерен. Этот процесс протекает самопроизвольно т.к. идет с уменьшением поверхностной энергии за счет уменьшения суммарной поверхности зерен. Высокая температура лишь обеспечивает достаточную скорость протекания процесса. Различают 2 типа сталей– наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые.

1-й характеризуется малой склонностью к росту зерна, 2-й - повышенной склонностью.

В наследственно мелкозернистой (а) стали при переходе через А_I сопровождается уменьшением величины зерна. Это зерно не растет при дальнейшем нагреве до 950-1000°С

Рост начинается выше 1000° С. У крупнозернистой стали рост зерен начинается при переходе через критическую точку (б). Таким образом, под наследственной зернистостью нужно понимать склонность аустенитного зерна к росту.

Размер зерна, наблюдаемый в стали после термической обработ­ки называется действенным. Следовательно, различают 3 характерис­тики размера зерна стали :

1. Начальное зерно - размер зерна аустенита в момент окон­чания

превращения П « А

2. Наследственное зерно, определяющее склонность зерна аустенита к

3. Действительное зерно - размер зерна аустенита в данных конкретных условиях.

Размер первичного зерна аустенита и наследственная зернис­тость оказывает влияние на величину действительного зерна получен­ного после термической обработки. Чем крупнее зерна первичного аустенита и чем больше наследственное зерно, тем более крупное действительное зерно получаемое после всех видов тепловой обработки.

Величина первичного зерна, наследственная крупнозернистость и величина действительного зерна в стали может быть определена микроструктурным анализом. Первичное зерно может быть определено по излому закаленных образцов. Так как разрушение произойдет по границам бывших аустенитных зерен, по виду излома можно судить о размере зерна. При микроструктурном исследовании границы аусте­нитных зерен выявляют замедленным охлаждением (сетка Ф или Ц )

Для определения наследственного зерна, т.е. склонности к росту нагревают сталь до 930° С (конструкционные стали) и определяют по шкале величину вспучившегося действительного зерна. (Это температура, при которой у наследственно крупнозернистой стали происходит рост зер­на).

Величину действительного зерна определяют по микроструктуре термически обработанного образца сравнивая со стандартной шка­лой. На механические свойства стали в термически обработанном состоянии существенное влияние оказывает только величина действи­тельного зерна. Укрупнение величины зерна снижают пластические характеристики особенно ударную вязкость и повышает хладноломкость стали, не оказывая существенного влияния на твердость.

Величина наследственного зерна оказывает существенное влия­ние на технологический процесс горячей обработки, так как в наслед­ственно мелкозернистой стали рост зерна начинается при более вы­соких температурах, то ее можно ковать и прокатывать при более высоких температурах не опасаясь получения крупного зерна, а также проводить закалку при более высокой температуре, что позво­лит получить более высокую прочность при сохранении мелкозернистой структуры.

Наследственная зернистость зависит от химического сос­тава стали и способа производства (метода раскисления). Многие легирующие элементы Ti, W, Zn, V уменьшают склонность зерна аустенита к росту. Сталь раскисления только FeSi и FeAl (КП и ПС) - наследственно крупнозернистая сталь дополнительно раскисленная Al(СП) - мелкозернистая. Алюминий, введенный в жидкую сталь незадолго до разливки по изложницам образует нитриды, располагающиеся при кристаллизации по границам зерен и препятст­вующие их росту.

(второе основное превращение)

Превращение аустенита в перлит заключается в распаде ау­стенита твердого раствора углерода в g железе на феррит (почти чистое железо) и цементит.

При температуре равновесия А_I это превращение невозможно, т.к. свободные энергии исходного аустенита и конечного перлита равны.

Превращение может начаться лишь при некотором переохлаждении, когда свободная энергия Ф-К смеси (перлита) окажется меньшей, чем аустенита. Чем больше степень переохлаждения, тем быстрее протекает процесс превращения. Так как превращение А ® Ф + П происходит среди фаз, резко отличающихся по составу от исходных, то оно сопро­вождается диффузией, перераспределением углерода.

С понижением температуры и увеличением переохлаждения диффузия замедляется. Таким образом, увеличение переохлаждения действует двояко - ускоряет превращение за счет увеличения разности свобод­ных энергий перлита и аустенита и замедляет его вследствие умень­шения скорости диффузии. Суммарное действие обоих факторов приво­дит к тому, что вначале скорость превращения с увеличением степе­ни переохлаждения возрастает , а затем убывает.

При 727° С и ниже d (200 0 С)V =0, т.к. при 727 0 С DF=0 при d=D=0. Процесс образования перлита состоит из зарождения кристаллов перлита и их роста. Поэтому, скорость превращения определяется числом образующихся центров ч. ц. и скоростью роста с.к. (при разной степени пе­реохлаждения). Этот процесс, происходящий во времени может быть изобра­жен кинетической кривой превращения, показывающей количество перлита, образовавшегося зависимости от времени, прошедшего с нача­ла превращения. Начальный период характеризуется весьма малой скоростью так называемый инкубационный период. Максимум скорости соот­ветствует примерно 50 % превращения аустенита. Затем скорость пре­вращения уменьшается и превращение заканчивается.

КИНЕТИЧЕСКАЯ КРИВАЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ АУСТЕНИТА В ПЕРЛИТ.

При очень малой и значительной степени переохлаж­дения превращение идет медленно, т.к. С.К. и Ч.Ц. малы. При максимальной скорости превращения кривые идут круто вверх, и превращение заканчивается за малый отрезок времени. Изучение превращения А « П можно изобразить серией кривых, изображающих превращение при разных температурах. При высокой температуре (малая степень переохлаждения) превращение развивается медленно и продолжительность инкубационного периода (отрезок от начала коор­динат до точки а) и время превращения (отрезок от начала координат до точки в). При снижении температуры превращения, т.е. увеличении степени переохлаждения продолжительность инкуба­ционного периода и всего превращения сокращается V_max соответствует t_н, дальнейшее снижение температуры замедляет превраще­ние. Возможен другой способ графического изображения. Если на ось ординат нанести отрезки соответствующие началу и концу превра­щения, то получим диаграмму превращения.

Точка а расположена на кривой показывающей начало превращения, в - конец превращения. Кривая начала превращения показывает (в зависимости от степени переохлаждения) время существования переохлажденного аустенита. Мерой устойчивости может служить отрезок от оси ординат до кривой начала превращения. При 500-600° С (t₄) отрезок минимальный, т.е. А « П через наиболее короткий промежуток времени, т.к. время превращения сильно разнится от 1-2 сек. до нескольких минут. Диаграмма называется диаграммой изотермического превращения аустенита. Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходил процесс его распада. При высоких температурах и малых степенях переохлаждения получается грубая, хорошо различимая под микроскопом смесь пластинчатого цементита и феррита называемая перлитом.

При более низких температурах и больших степенях переохлажде­ние дисперсность структур увеличивается, и твердость продуктов превращения возрастает. Такой мелкодисперсный перлит называется сорбитом. При еще более низкой температуре на перегибе с диаграммы дисперсность продуктов распада возрастает и образуется тростит. В этой структуре различить отдельные структурные составляющие почти невозможно при наблюдении под световым микроскопом. Хорошо видна структура на электронном микроскопе. Таким образом, перлит, сорбит, тростит - структуры с одинаковой природой (Ф+Ц_II), отличающиеся дисперсностью. Перлитные структуры могут быть 2-х видов - пластинчатые и зернистые. Превращения выше и ниже изгиба С-образной кривой отличаются по кинетике превраще­ния и структуре продуктов распада аустенита. Выше изгиба С-образной кривой, т.е. при малых переохлаждениях превращение начинается из небольшого числа центров, и кристаллы перлита растут до столкновения. Ниже перегиба С-кривой возникает игольча­тая структура, образуются иглы - пластины, рост которых ограни­чен и превращение происходит путем роста новых кристаллов. В обоих случаях происходит распад аустенита на Ф-Ц смесь, но при высоких температурах углерод полностью выделяется из раствора, а при низких температурах этот процесс затруднен. Иглы состоят из мельчайших и коротких пластин Ф и Ц . Эта иголь­чатая структура называется бейнит.

К характерным особенностям превращения аустенита ниже перегиба С-образной кривой относится то, что распад аустенита не происхо­дит полностью и в структуре остается исходная фаза называемая остаточным аустенитом . Различное строение продуктов распада вы­ше и ниже перегиба С-образной кривой объясняется следующим. При высоких температурах выше перегиба цементит образуется в мягком аустените и возможно без создания напряжений образования круглых зерен. При низких температурах ниже перегиба С-кривой рост новой фазы про­исходит в напряженно-упругой среде и округлые конгломераты об­разовываться не могут, т.к. это создало бы большие напряже­ния. Поэтому внешняя форма кристаллов приобретает тонкопластинчатую (игольчатую) форму. Рост таких кристаллов не ведет к возни­кновению больших напряжений. Таким образом, протекает изотермический распад аустенита в эвтектоидных сталях. В доэвтектоидных сталях превращение начинается с выпа­дения феррита и обогащения углеродом оставшегося g раствора, в заэвтектоидных с выделения цементита и обеднения твердого раст­вора.

В условиях равновесия распад А ® Ц + Ф происходит в точке S, где содержание углерода 0,8 %. В условиях переохлаждения одновременное выделение Ф и Ц из А возможно лишь при условии пересыщения аустенита обеими фазами, т.е. в реальных условиях состав эвтектоида (перлита) характеризует­ся интервалом концентраций.

Из схемы видно, что в заэвтектоидных сталях квазиэвтектоид может содержать углерода больше, а в до­эвтектоидных сталях меньше, чем 0,8% и эта разница тем больше, чем больше степень переохлаждения и ниже температура превращения. Следовательно, чем ниже температура превращения, тем меньше должно выделиться феррита или цементита перед перлитным превращением. При температуре перегиба С кривой и ниже распад аустенита происходит без выделения избыточных фаз.

Диффузионный перлитный распад без предварительного выделения феррита и цементита происходит в области ЕSG. Левее линии ЕS ему предшествует выделение феррита, правее SG - цементита.

Рассмотрим как происходит распад аустенита при непрерывном охлаждении, когда сталь, нагретая до аустенитного состояния охлаждается с разной скоростью. Линия V₁ соответствующая медленному охлаждению пересечет линии диаграммы в точках а и в продукт превращения - перлит. С увеличением скорости превращения кривые V₁, V₂, V₃ пересекают ли­нии диаграммы при более низких температурах (а, в', а", в"), образуя более дисперсные структуры. Если охлаждать сталь с очень большей скоростью (V₅), то превращение в верхнем интервале температур не успеет произойти и аустенит превратится в мартен­сит (закалка). Для того, чтобы закалить сталь, нужно охладить ее с такой скоростью, чтобы превращение не успело произойти. Минимальная скорость охлаждения необходимая для превращения А® М называется критической скоростью закалки (V_к)

где А₁ - температура критической точки

t_m - температура min устойчивости аустенита

t_m - время min устойчивости аустенита

V_л в 1,5 раза меньше расчетной, т.е.

Эта поправка объясняется тем, что как показали исследования С.С. Штейнберга, что сумма бесконечно малых отрезков времени при непрерывном охлаждении не равна отрезку у изгиба С-образной кривой.

Превращения, происходящие при нагреве и охлаждении сталей и чугунов

Сталь доэвтектоидная с содержанием 0,3 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ac₁ (727 °С) превращений нет, и сталь имеет структуру перлит + феррит. При Ас₁ (727 °С) происходит превра­щение перлита в аустенит и образуется структура аустенит + фер­рит. От Ас₁ до Ас₃ феррит превращается в аустенит. При Ас₃ сталь имеет структуру аустенита. От Ас₃ до tc 1 (температуры солидуса) сталь находится в твердом состоянии и имеет структуру аустенита. При температуре солидуса начинается плавление аустенита.

От температуры солидуса tc 1 до температуры ликвидуса tл 1 име­ется аустенит + жидкий сплав. Выше tл 1 сталь находится в жидком состоянии.

Рис. 33. Диаграмма состояния Fe – Fe₃C (в упро­щенном виде)

При охлаждении до температуры tл 1 сталь находится в жидком состоянии. При tл 1 начинается кристаллизация аусте­нита. От tл 1 до tс 1 происходит кристаллизация аустенита, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От tл 1 до Аr₃ сталь имеет структуру аустенита. От Аr₃ до Аr₁ часть аустенита превращается в феррит, и сталь имеет структуру: аустенит + феррит. При Аr₁ (727 °С) происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Ar₁ сталь до полного охлаждения имеет структуру: перлит + феррит (см. рис. 30, а).

Сталь эвтектоидная с содержанием 0,8 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ас₁ (727 °С) превращений нет, и сталь имеет перлитную структуру. При Ac₁ происходит превращение перлита в аустенит. Выше Ac₁ до начала плавления сталь имеет аустенитную структуру. При температуре солидуса (для этой стали tc 2 ) начинается плавление аустенита. От tc 2 до tл 2 (температура ликвидуса) проис­ходит плавление, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. Выше tл 2 сталь находится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до tл 2 сталь находится в жидком сос­тоянии. При tл 2 начинается кристаллизация аустенита. От tл 2 до tс 2 происходит кристаллизация аустенита и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От tл 2 до Ar₁ (727 °С) сталь состоит из аустенита. При Ar₁ происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Ar₁ сталь имеет структуру перлита (рис. 30, б).

Сталь заэвтектоидная с содержанием 1,2 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ас₁ (727 °С) превращений нет, и сталь имеет структуру: перлит + цементит вторичный. При Ас₁ происходит превращение перлита в аустенит. От Ас₁ до Аст (критическая точка, лежащая на линии SE) происходит растворение вторичного цемен­тита в аустените. При Аст сталь имеет аустенитную структуру. От Аст до температуры солидуса tс 3 , лежащей на линии АЕ, сталь находится в аустенитном состоянии. При tс 3 начинается плавление аустенита. В интервале от tс 3 до tл 3 сталь состоит из аустенита и жид­кого сплава. Выше tл 3 сталь полностью находится в жидком состоя­нии.

При охлаждении до tл 3 сталь находится в жидком сос­тоянии. При tл 3 (температура ликвидуса) начинается кристаллиза­ция аустенита. От tл 3 до
tс 3 происходит кристаллизация аустенита и сталь состоит из жидкого сплава и аустенита. При tс 3 (температура солидуса) сталь полностью затвердевает, и структура ее представ­ляет аустенит. От tс 3 до линии SE (температура Аст) структура стали не изменяется. При Аст начинается выделение вторичного цементита.

От Аст до Аr₁ (727 °С) происходит выделение вторичного це­ментита, и структура стали состоит из аустенита и вторичного це­ментита. При Аr₁ (727 °С) аустенит превращается в перлит. Ниже Аr₁ сталь имеет структуру: перлит + цементит вторичный (рис. 30, в).

Доэвтектический чугун с содержанием 3,0 % углерода (рис. 33). При нагреве до Ас₁ превращений нет, и чугун имеет структуру: ледебурит + перлит + вторичный цементит. При этом эвтектика состоит из цементита и перлита. При Ac₁ происходит превращение перлита в аустенит. Это превращение претерпевает как свободный перлит, так и перлит, входящий в эвтектику. Выше Ас₁ чугун состоит из аустенита, вторичного цементита и ледебу­рита. При этом эвтектика состоит из цементита и аустенита.

От Ac₁ до t_э, (1147 °С) происходит растворение вторичного це­ментита в аустените и аустенит насыщается углеродом до 2,14 %.

При t_э плавится ледебурит. Выше t_э чугун состоит из аустенита и жидкого сплава. От t_э, до tл 4 плавится аустенит. Выше tл 4 чугун на­ходится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до tл 4 чугун находится в жидком сос­тоянии. При tл 4 начинается кристаллизация аустенита. От tл 4 до t_э (1147° С) происходит кристаллизация аустенита и при t_э чугун состоит из аустенита с содержанием 2,14 % углерода и жидкого сплава эвтектического состава (4,3 % углерода).

При t_э, происходит эвтектическая кристаллизация, и образуется ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием углерода 2,14 %. От t_э (1147 °С) до Аr₁ (727 °С) из аустенита как свободного, так и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит, и содержание углерода понижается до 0,8 %. Следовате­льно, в этом интервале температур чугун состоит из ледебурита, аустенита и вторичного цементита. При Аr₁ (727 °С) происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Аr₁ чугун состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита (см. рис. 31, а).

Эвтектический чугун с содержанием 4,3 % углерода(рис. 33).При нагреве до Ас₁ превращений нет, и чугун имеет структуру ледебурит, состоящий из цементита, перлита и вторичного цемен­тита. При Ac₁ происходит превращение перлита в аустенит. Выше Ас₁ чугун имеет структуру – ледебурит, состоящий из цементита, аустенита и вторичного цементита. От Ас₁ до t_э происходит раство­рение вторичного цементита и аустенит насыщается углеродом до 2,14 %. При t_э чугун полностью расплавляется. Выше t_э чугун на­ходится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до t_э (1147 °С) чугун находится в жид­ком состоянии. При t_э (1147 °С) чугун полностью затвердевает, и образуется структура – ледебурит, состоящий из аустенита, содержащего 2,14 % углерода и цементита. От t_э до Аr₁ из аустенита выделяется вторичный цементит, и содержание углерода в аустените понижается до 0,8 %. При Аr₁ аустенит превращается в перлит. Ниже Аr₁ чугун имеет структуру – ледебурит, состоящий из це­ментита, перлита и вторичного цементита (см. рис. 31, б).

Заэвтектический чугун с содержанием 5,0 % углерода (см. рис. 33). При нагреве до Ас₁ превращений нет, и чугун имеет структуру – ледебурит + первичный цементит. При Ас₁ (727 °С) перлит, находящийся в эвтектике, превращается в аустенит. Выше Ас₁ чугун имеет структуру – ледебурит и первичный цемен­тит, но эвтектика состоит из цементита и аустенита. От Аc₁ до t_э (1147 °С) происходит насыщение аустенита углеродом вследствие растворения вторичного цементита и при 1147 °С в аустените со­держится 2,14 % углерода.

При t_э плавится эвтектика. Выше t_э чугун состоит из жидкого сплава и первичного цементита.

От t_э до tл 5 происходит плавление первичного цементита. Выше tл 5 чугун полностью находится в жидком состоянии.

При охлаждении до tл 5 чугун находится в жидком сос­тоянии. При tл 5 начинается кристаллизация первичного цементита. От tл 5 до t_э (1147 °С) происходит кристаллизация первичного цемен­Тита, и чугун состоит из жидкого сплава и первичного цементита. При t_э чугун состоит из первичного цементита и жидкого сплава эвтектического состава, т. е. содержащего 4,3 % углерода, который, кристаллизуясь при этой температуре, образует ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием 2,14 % углерода.

Ниже t_э превращение претерпевает только ледебурит, а первич­ный цементит не изменяется. Превращение в ледебурите такое, как описано выше при рассмотрении доэвтектического и эвтекти­ческого чугуна, т. е. от t_э до Аr₁ внутри ледебурита выделяется вто­ричный цементит, и чугун состоит из ледебурита и первичного цементита.

При Аr₁ внутри эвтектики аустенит превращается в перлит. Ниже Ar₁ чугун состоит из ледебурита и первичного цементита (см. рис. 31, в).

1. Какие фазы образуются в метастабильной системе железо–углерод? Дайте их характеристику.

2. Напишите эвтектическую и эвтектоидную реакции системы Fe-Fe3C. Какие структурные составляющие при этом образуются?

3. Что такое эвтектоидная сталь, какова ее структура?

4. Какие стали являются заэвтектоидными, какова структура этой стали?

5. Что такое чугун и как подразделяются чугуны по содержанию углерода?

6. Опишите структуру чугунов: 2,5 %С, 3,8 %С, 4,3 %С, 5 %С?

7. Как меняется структурный и фазовый состав сплавов в зависимости от содержания углерода. Как это влияет на свойства сплава?

Превращения, происходящие в железе и стали при нагреве и охлаждении

Внимательно всмотревшись в излом металла, ясно можно увидеть, что он представляет собой нагромождение (совокупность) отдельных кристаллов (зерен), крепко сцепленных между собой. Мельчайшей частицей металла, как и всякого другого вещества, является атом. В элементарных ячейках, из которых состоят кристаллы железа, атомы расположены в определенном порядке. Это расположение изменяется в зависимости от температуры нагрева. При любой температуре ниже 910° атомы в ячейках кристаллов располагаются в виде куба, образуя так называемую кристаллическую решетку альфа-железа. В этом кубе восемь атомов расположены в углах решетки и один в центре.

При нагреве свыше 910° происходит перегруппировка атомов и кристаллическая решетка представляет собою форму куба с четырнадцатью атомами; условно ее называют решеткой гамма-железа. При температуре 1390° решетка гамма-железа перестраивается в решетку с девятью атомами, носящую название дельта-железо. Эта решетка отличается от решетки альфа-железа несколько большим расстоянием между центрами атомов и сохраняется до момента расплавления железа, т. е. до 1535° (Рис. 1).

Перестройка кристаллической решетки при медленном охлаждении происходит в обратном порядке: дельта-железо при 1390° превращается в гамма-железо, а гамма-железо при 898° превращается в альфа-железо.

Рис. 1. Строение кристаллической решетки: а — альфа и дельта железа; б — гамма железа.

Критические точки превращения

На рис.2 показаны кривые охлаждения и нагревания чистого железа. Как видно из этих кривых, в процессе перестройки одной решетки в другую, а также при расплавлении и затвердевании железа происходят температурные остановки, являющиеся результатом выделения дополнительного количества тепла при охлаждении и поглощении дополнительного количества тепла при нагревании.

Рис. 2. Кривые охлаждения и нагрева чистого железа.

Температурные остановки, при которых происходят перестройки решеток, называются критическими температурами или критическими точками и обозначаются А_rпри охлаждении и А_с при нагревании. В точках А_r2и А_с2,не происходит перестройка атомной решетки, а изменяются магнитные свойства железа. При температуре выше 768° железо теряет способность притягиваться магнитом. При очень малой скорости нагревания и охлаждения критические точки А _с3и А_r3не совпадают друг с другом на 12°. При увеличении скорости охлаждения несовпадение критических точек увеличивается, так как температура значительно снижается и железо переохлаждается. Это явление, носит название гистерезис.

При нагревании и охлаждении стали происходит также перестройка атомной решетки, но температуры критических точек не постоянны. Они зависят от содержания углерода и легирующих примесей в стали, а также от скорости нагревания и охлаждения.

На рис. 3 представлена диаграмма состояния углеродистой стали при медленном охлаждении и нагревании.

Рис.3. Диаграмма состояния углеродистых сталей.

Структура стали

Структурой стали называется внутреннее ее строение. Углерод в стали находится в виде химического соединения с железом, и это соединение называется — цементит. Кроме цементита, в стали имеется феррит, представляющий собой почти чистое железо. В зависимости от содержания углерода большая или меньшая часть феррита находится в механической смеси с цементитом, образуя новую структуру — перлит. Если небольшой кусок металла прошлифовать, отполировать и протравить в специальном реактиве, то под микроскопом можно различить структуры. Ниже приводится описание структур железоуглеродистых сплавов.

Аустенит представляет собою твердый раствор углерода и других элементов в гамма-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в ау-стените — это 2%. Аустенит образуется при затвердевании жидкой стали и при нагреве твердой стали выше критических температур.

В обычных сталях аустенит устойчив только лишь при температуре выше критических точек. При охлаждении, даже самом быстром, с этих температур аустенит превращается в другие структуры. При комнатной температуре аустенит полностью сохраняется в ряде марок нержавеющих сталей, в высокомарганцовистой стали и в незначительном количестве остается при закалке некоторых марок инструментальной и конструкционной сталей.

Аустенит мягок, пластичен, тягуч, мало упруг. Твердость его по Бринелю находится в пределах 170—220.

Аустенит немагнитен, обладает невысокой электропроводностью.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода и других элементов в альфа-железе. Наибольшее содержание углерода, которое может раствориться в феррите, это 0,04%. Феррит устойчив при температурах ниже критической точки A_C1. Он выделяется из аустенита при медленном охлаждении последнего ниже A_6i. Феррит мягок, сильно тягуч. Твердость HB= 60—100. Феррит магнитен до 768°. Свыше этой температуры он теряет магнитные свойства.

Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом Fe₃C—карбид железа. Цементит содержит углерода 6,67%. Выделяется из жидкого и твердого раствора при медленном охлаждении. Цементит весьма тверд и хрупок. Твердость его НB= 800—820. Он магнитен до 210°. Выше этой температуры цементит теряет магнитные свойства.

Перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита. Он образуется из аустенита при медленном его охлаждении. Температура превращения аустенита в перлит 723°С. При весьма медленном переходе через эту температуру цементит образуется в виде зерен (глобулей), и тогда перлит называется зернистым. При более быстром охлаждении цементит приобретает форму пластинок, и такой перлит называется пластинчатым. При весьма быстром охлаждении в результате значительного переохлаждения аустенита вместо перлита получаются другие структуры, о которых речь будет ниже.

Перлит магнитен, прочен и пластичен. Твердость его находится в пределах от 160 до 230 кг/мм 2 по Бринелю. При обработке резанием наиболее чистую поверхность дает структура зернистого перлита.

Мартенсит образуется в результате весьма быстрого охлаждения (закалки) аустенита. При быстром охлаждении успевает произойти перестройка кристаллической решетки гамма-железа в решетку альфа-железа, выделение же углерода в карбид железа не успевает произойти, и он весь остается растворенным в решетке альфа-железа. Так как нормально альфа-железо может растворить в себе не более 0,04% углерода, то такой раствор называют пересыщенным. Он отличается весьма большой твердостью (свыше R_c= 60) и хрупкостью. Следует указать, что решетка альфа-железа, получающаяся в результате закалки, имеет искаженную форму. Так, размеры ее граней не одинаковы — в одном направлении они удлинены за счет других (см. рис. 4). Такая решетка называется тетрагональной. Чем больше в стали углерода, тем больше тетрагональность решетки и тем более велики внутренние напряжения. При нагревании до температур 100—200° тетрагональность мартенсита уменьшается, форма кристаллической его решетки приближается к форме правильного куба, и вместе с этим уменьшаются внутренние напряжения. Мартенсит магнитен.

Рис. 4. Строение кристаллической решетки стали, закаленной на мартенсит.

Троостит представляет собой высокодисперсную (мелкораздробленную) смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с замедленной против закалки скоростью или в результате нагрева (отпуска) мартенсита в пределах 250—400°.

При нагреве закаленной стали происходит постепенное выделение углерода из кристаллической решетки с образованием карбидов. Троостит менее прочен, более пластичен, чем мартенсит. Твердость его НB330—400. При охлаждении аустенита в горячих средах в интервале 250—400° (изотермическое превращение аустенита) происходит образование игольчатого троостита, несколько более прочного, чем обычный троостит.

Сорбит представляет собой дисперсную смесь феррита и карбидов. Он образуется при охлаждении аустенита с небольшой скоростью или при нагреве (отпуске) мартенсита до 400—650°. Карбиды сорбита более крупные, чем троостита. Сорбит пластичен, вязок и магнитен. Твердость НВ 270—320.

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Он содержит углерода 4 3% Образуется ледебурит при затвердевании жидкого сплава с содержанием углерода свыше 2%. Ледебурит хрупок.

На рис. 5. представлены фотоснимки структур стали с различным содержанием углерода.

Структура стали с содержанием углерода 0,83% состоит из сплошного перлита и называется эвтектоидной; при меньшем содержании углерода структура стали состоит из перлита и феррита и носит название доэвтектоидной, а при большем содержании углерода — из перлита и цементита и называется заэвтектоидной. Температура 723°, при которой перлит переходит в аустенит, также называется критической и обозначается Ас.

Для того чтобы доэвтектоидную и эвтектоидную сталь полностью отжечь, нормализовать или закалить, их нужно нагреть до такой температуры, при которой они перешли бы в аустенитное состояние.

Рис. 5. Микроструктура отожженной углеродистой стали:

а - с содержанием углерода -0,1%

б - с содержанием углерода -0,85%

в - с содержанием углерода -1,1%

Превращения, происходящие в стали при нагревании

По диаграмме на рис. 3 можно проследить за изменениями структуры трех разных марок стали при нагревании:

1. Сталь с содержанием углерода 0,83%. Структура стали представляет собой перлит. При температуре 723° в точке A_с1 перлит переходит в аустенит.
2. Сталь с содержанием углерода 0,4%. Структура стали представляет собой перлит и феррит. При температуре 723° в точке К₁ перлит переходит в аустенит, и по мере повышения температуры происходит растворение свободного феррита в аустените. При пересечении линии GS в точке К2 закончится растворение феррита и структура будет полностью состоять из аустенита. Для этой стали точка К₁на диаграмме будет нижней критической точкой Ас1,а К₂— верхней критической точкой А_с1,.
3. Сталь с содержанием углерода 1,2%. Структура стали представляет собой перлит и цементит. При температуре 723° в точке Pi перлит переходит в аустенит, и при дальнейшем повышении температуры происходит постепенное растворение цементита в аустените. При пересечении линии SEв точке Р2 это растворение закончится. Для этой стали точка Р1 явится нижней критической точкой Ас1, а точка Ρ2 — верхней критической точкой, которая для заэвтектоидных сталей обозначается Асm.

Линия на диаграмме, обозначенная буквами GS, соответствует окончанию растворения феррита в аустените в доэвтектоидных сталях, а линия SE соответствует окончанию растворения цементита в аустените в заэвтектоидных сталях.

Следует указать, что заэвтектоидные стали при операциях термической обработки не нагревают выше линии А_cт(такая высокая температура нагрева приведет к перегреву и ухудшению свойств стали), а ограничиваются нагревом выше первой критической точки A_Cl, что полностью обеспечивает получение необходимых свойств.

Превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении

В сталях, нагретых до аустенитного состояния, при весьма медленном охлаждении произойдут обратные превращения, а именно:

а) в стали с содержанием углерода 0,83% аустенит превратится в перлит;

б) в стали с содержанием углерода 0,4% сначала из аустенита начнет выделяться феррит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит и

в) в стали с содержанием углерода 1,2% сначала из аустенита выделится цементит, а затем в районе температуры 700° оставшийся аустенит превратится в перлит.

Даже при весьма медленном охлаждении температура распада аустенита не совпадает с теми температурами, при которых аустенит образовался при нагревании. Чем скорость охлаждения больше, тем больше становится гистерезис, т. е. разница между критическими температурами (точками) при нагревании и охлаждении.

Превращения, происходящие в стали при быстром охлаждении

Как указывалось выше, при быстром охлаждении не успевает произойти превращение аустенита в перлит с выделением избыточного феррита или цементита, а в зависимости от скорости охлаждения аустенит превращается в новые структуры - мартенсит, троостит или сорбит. Сталь с этими структурами отличается от сталей со структурами перлита и феррита повышенной твердостью, прочностью и уменьшенной пластичностью. Если углеродистую сталь, нагретую выше критических температур, охладить очень быстро, то аустенит превратится в мартенсит и это превращение начнется лишь при температуре около 200°. При несколько меньшей скорости охлаждения образуется структура троостит, а при еще меньшей — сорбит.

В производственных условиях при охлаждении углеродистой инструментальной стали в воде образуется мартенсит, при охлаждении в масле — троостит и при охлаждении в струе воздуха -сорбит. На рис. 6 показаны микроструктуры закаленной стали.

Рис. 6. Микроструктура закаленной стали:

а — игольчатый мартенсит;

В легированных сталях, благодаря присутствию специальных элементов, для образования мартенсита не требуется столь большой скорости охлаждения, как для углеродистых сталей, и мартенсит образуется при охлаждении в масле, а для быстрорежущих сталей — и при охлаждении на воздухе.

Троостит и сорбит можно получить не только в результате ускоренного охлаждения, нои путем нагрева закаленной стали, имеющей структуру мартенсита, до температуры ниже A_с1, т. е. путем отпуска стали. В этом случае троостит получается при нагреве стали до 400°, а сорбит—при нагреве до 650°. При нагреве до промежуточных температур получаются смешанные структуры: при нагреве от 250—400° — мартенсит и троостит и при нагреве от 400—650° — троостит и сорбит. В производственных условиях троостит и сорбит получают путем отпуска закаленной стали.

Превращения, происходящие в стали при охлаждении в среде, имеющей температуру выше 200° (изотермическое превращение)

Если деталь, нагретую выше критической точки, поместить в среду, имеющую температуру от 700 до примерно 200°, и выдержать в ней до выравнивания температуры по всему сечению, то аустенит превратится в ту структуру, которая соответствует превращению при данной температуре.

О поведении стали при изотермической обработке, выборе температуры и времени выдержки судят по кривым изотермического превращения, построенным для разных марок стали.

Рис. 7. Диаграмма изотермического превращения аустенита углеродистой стали.

На рис. 7 дан вид диаграммы изотермического превращения в стали. На горизонтальной оси отложено время начала и конца превращения, а на вертикальной— температура, при которой оно происходит. Линия А _с соответствует переходу аустенита в перлит, а линия М_н — образованию мартенсита из аустенита. На кривой I начинаются, а на кривой II заканчиваются структурные превращения.

Если углеродистую инструментальную сталь, нагретую до 800°, поместить в масло, расплавленную соль или щелочь при температуре 250°, в ней образуется игольчатый троостит с высокой твердостью R_c=45—55. Если эту же сталь охладить в среде, имеющей температуру свыше 600°, в ней образуется перлит и такая сталь легко обрабатывается на станках. При охлаждении стали в среде с промежуточными температурами образуются структуры троостита и сорбита с соответствующей твердостью.

Изотермический отжиг нашел большое применение при термической обработке инструментальных сталей как процесс, резко уменьшающий время по сравнению с другими видами отжига.

Изотермическая закалка в инструментальном деле применяется редко из-за недостаточной для инструмента твердости, достигаемой при этом процессе.

Источник:
Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.
Каменичный И.С. Практика термической обработки инструмента. Киев, 1959 г.

ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ НАГРЕВЕ

В основе всех превращений, которые совершаются в стали при нагреве, лежит стремление системы к минимуму свободной энергии (рис. 2). Теоретически превращение перлита в аустенит должно совершаться при температуре А₁, т. е. при 727° С. Фактически же для этого превращения нужен перегрев, так как экспериментально было установлено, что даже при обычных скоростях нагрева температура критических точек А₁и А₃ повышается.

Рис. 2. Изменение свободной энергии аустенита (1) и перлита (2) в зависимости от температуры

Кроме того, чем выше температура, тем быстрее совершается превращение. Превращение перлита в аустенит сопровождается полиморфным превращением Fe_α ↔Fe_γ, а также растворением цементита Fе₃С в аустените. Для исследования процессов, происходящих при нагреве стали, строят диаграммы изотермического образования аустенита. Для этого образцы нагревают до температуры выше А₁и выдерживают при ней, фиксируя начало и конец превращения. На рис. 3 приведена такая диаграмма для стали с 0,8% С.

Превращение начинается с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела феррит—цементит (рис. 3 А). Экспериментально аустенит обнаруживается уже при небольших перегревах (выше 727° С) и очень малых выдержках. (По данным некоторых исследователей, в процессе превращения перлита в аустенит инкубационный период отсутствует, т. е. превращение начинается сразу при нагреве до температуры несколько выше точки А₁(линия I на рис. 3). Это объясняется тем, что в стали поверхность раздела феррит — цементит сильно развита.

Время превращения перлита в аустенит при изотермической выдержке существенно зависит от температуры. Это наглядно показывают кривые начала (1) и конца (2) превращения (см. рис. 3). Объясняется это тем, что с увеличением степени перегрева относительно А₁уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличивается скорость возникновения зародышей и линейная скорость их роста.

Правее линии 1происходит образование зародышей аустенита на поверхности раздела феррита и цементита в перлите (схема А). Образующиеся зерна аустенита вначале имеют такую же концентрацию углерода, как и исходная фаза — феррит, так как полиморфное превращение протекает с большей скоростью, чем диффузия углерода. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита — цементит (см. рис. 3, область между линиями 2 и 3, схемы Б, В), содержание углерода в аустените увеличивается. К концу превращения в тех местах, где находились пластинки цементита, концентрация углерода в аустените становится более высокой по сравнению с участками, в которых до превращения был феррит. Поэтому для выравнивания состава аустенита требуется некоторое время, зависящее от температуры — чем выше температура, при которой совершалось превращение П→А, тем быстрее завершится диффузионный процесс перераспределения углерода в аустените (с ростом температуры нагрева уменьшается скачок концентраций на границе аустенит — феррит— линии GP и GS сближаются).

Рис. 3. Диаграмма изотермического образования аустенита:

1 — начало образования аустенита; 2 — конец превращения перлита в аустенит; 3 — полное растворение цементита; а, б — точки начала превращения перлита в аустенит при нагреве со скоростями υ1 и υ2 (υ1>υ2); А, Б, В, Г — последовательные стадии превращения перлита в аустенит

Влияние скорости нагрева на продолжительность превращения характеризуется лучами υ₁и υ₂. При меньшей скорости нагрева (луч υ₂) превращение П—А произойдет при более низких температурах по сравнению с более быстрым нагревом (луч υ₁).

На скорость превращения перлита в аустенит влияет также степень дисперсности перлита — чем мельче пластинки цементита, тем быстрее образуется аустенит, так как в этом случае больше межфазная поверхность феррита с цементитом. Перлито-аустенитное превращение сопровождается уменьшением удельного объема примерно на 1%, поэтому происходит фазовый наклеп аустенита, т. е. деформация его кристаллической решетки.

Таким образом, превращение совершается только в стали эвтектоидного состава. Доэвтектоидные стали после нагрева выше Ас₁ состоят из аустенита и феррита и только после нагрева выше Ас₃ (линия GOS) сталь приобретает строение однородного аустенита.

При нагреве заэвтектоидных сталей выше Ас₁ вначале превращение протекает так же, как и в эвтектоидных сталях, т. е. перлит будет превращаться в аустенит. Затем по мере дальнейшего нагревания в аустените постепенно растворяется Ц_II. Выше температуры А_ст (линия SE) этот процесс заканчивается, и сталь также приобретает однофазную структуру аустенита.

В углеродистых сталях образование аустенита и его гомогенизация протекают достаточно быстро — в течение нескольких минут. В легированных сталях для этих процессов требуется больше времени, так как концентрация легирующих элементов в феррите и карбидах различна, и поэтому образующийся аустенит неоднороден не только по углероду, но и по концентрации легирующих элементов, скорость диффузии которых на несколько порядков меньше скорости диффузии углерода.

Начальные зерна аустенита всегда мелкие, так как в каждой перлитной колонии одновременно зарождается несколько центров кристаллизации аустенита (см. схему на рис. 3). При дальнейшем нагреве зерна аустенита растут, причем в различных сталях с различной скоростью.

Стали различают по склонности к росту зерна аустенита при нагреве. Если зерно аустенита начинает быстро расти даже при незначительном нагреве выше A₁ то сталь считают наследственно крупнозернистой; если зерно растет только при большом перегреве, то сталь является наследственно мелкозернистой. Даже стали одной марки, но разных плавок могут сильно различаться по склонности к росту аустенитного зерна. Это объясняется тем, что они содержат различное количество неметаллических включении (окислов, нитридов, сульфидов и т. п.), которые могут затруднять рост аустенитного зерна при нагреве. Таким образом, склонность к росту аустенитного зерна является плавочной характеристикой.

Такие элементы, как ванадий, титан, молибден, вольфрам, алюминий, уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а марганец и фосфор увеличивают ее. Заэвтектоидные стали, как правило, менее склонны к росту зерна. Условия выплавки стали также имеют большое значение, например кипящая сталь обычно бывает наследственно крупнозернистой.

При последующем охлаждении зерна аустенита не измельчаются. Это следует учитывать при назначении режимов термической обработки, так как от размеров зерна существенно зависят механические свойства. Так, например, ударная вязкость мелкозернистой стали может в несколько раз превышать ударную вязкость крупнозернистой стали той же марки.

Различают величину зерна наследственного и действительного.

Для определения наследственного зерна образцы нагревают до 930°С (проявляется склонность стали к росту зерна) и затем определяют размер зерна. От размера зерна аустенита зависит поведение нагретой стали в различных процессах термической обработки и пластической деформации. Особенно чувствительна к размеру зерна аустенита ударная вязкость.

Действительная величина зерна — это размер зерна при обычных температурах, полученный после той или иной термической обработки.

Существует стандартная шкала величины зерна, согласно которой величину зерна характеризуют номером по восьмибалльной системе. Величину зерна определяют под микроскопом при увеличении в 100 раз и сравнивают с размерами зерна стандартной шкалы. Стали, имеющие зерно до номера 4, считают крупнозернистыми, а имеющие номер 5—8 — мелкозернистыми.

Читайте также:

  
• Охарактеризуйте состав и свойства чугунов важнейших легированных сталей
  
• Погода в стальном джанкойский район
  
• Сталь elmax для ножей плюсы и минусы
  
• Стальная краска для авто
  
• Сталь ds что это