Превращения стали при охлаждении

При охлаждении стали, нагретой до аустенитного состояния, происходит распад аустенита образованием перлита - смеси из почти чистого α - железа и цементита.

Устойчивость переохлажденного аустенита, кинетика превращения и структура продуктов превращения определяется степенью переохлаждения стали данного состава.

Превращения аустенита может происходить при постоянной температуре (изотермически) или при непрерывном охлаждении.

Температурный интервал превращения на диаграмме изотермического превращения аустенита (рисунок 2.3) можно разделить на три области. На рисунке приведена диаграмма эвтектоидной стали; в доэвтектоидных сталях в верхнем интервале температур (от А₃ до A₁) сначала выделяется избыточный феррит, в заэвтектоидных - цементит.

Рисунок 2.3 Изотермическая диаграмма превращения аустенита для эвтектоидной стали.

Перлитная область (от Aс_I до температуры ~550°С). Распад аустенита в этой области имеет диффузный механизм и сопровождается перераспределением углерода. Продуктами превращения аустенита являются феррито-цементитные смеси разной степени дисперсности. При малых переохлаждениях (~700^оС) образуется грубая смесь феррита и цементита, называемая перлитом. При больших степенях переохлаждения (температуры превращения ~650°С и 500°С) получаются более дисперсные смеси, называемые сорбитом и троститом.

Мартенситное превращение (от Мн доМк). Распад аустенита в этой области имеет без диффузный механизм. Температура начала мартенситного превращения (Мн) дня большинства сталей лежит в интервале температур 200-300°С, где диффузные процессы фактически отсутствуют. Поэтому при мартенситном превращении происходит только перестройка решетки без изменения содержания углерода - образуется пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Под микроскопом мартенсит имеет вид игл, расположение и размеры которых зависят от расположения и размеров зерен аустенита. Из крупнозернистого аустенита получается крупноигольчатый мартенсит.

Промежуточная область (от температуры -550°С до Мн). Превращение аустенита в этой области носит черты как перлитного (диффузного), так мартенситного (без диффузного) механизма распада. Продуктом превращения является игольчатый тростит или бейнит. Продукты превращения в верхней части промежуточной области напоминают по строению перлит, в нижнем интервале образуются структуры с ясно выраженным игольчатым строением.

Превращение переохлажденного аустенита при непрерывном охлаждении можно представить, если на диаграмму изотермического превращения аустенита наложить кривые охлаждения (рисунок 2.4).

При медленном охлаждении со скоростью V₁ кривая охлаждения пересечет линии диаграммы в точках a₁ и b₁ соответствующих температурам начала и конца превращения. Продуктом превращения будет крупнопластинчатый перлит с низкой твердостью.

С увеличением скорости охлаждения (V₁<V₂<V₃) температура превращения аустенита в перлитные структуры понижается, кривые охлаждения пересекают линии диаграммы при более низких температурах (точки а₂и b₂, а₃ и bз). Чем больше скорость охлаждения, тем дисперснее образуется структура, тем выше ее твердость. Если при скорости охлаждения V₁ образуется перлит, то при большей V₂ - сорбит и еще большей V₃ - тростит.

При непрерывном охлаждении превращение происходит в интервале температур (а₁ и Ь₁ при V₁; и а₂ и b₂ при V₂ и т.д.). Поэтому продуктами превращения могут быть структура, полученные в разных температурных областях.

При охлаждении аустенита со скоростью V₄ в перлитные структуры превращается только часть аустенита (превращение в верхнем районе температур), оставшийся аустенит переохлаждается до температуры Мн и превращается в мартенсит. Структура будет состоять из тростита и мартенсита

При охлаждении со скоростью V₅ превращение аустенита в верхнем районе температур произойти не успевает, аустенит полностью сохраняется до температуры Мн и превращается в мартенсит.

Минимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры Мн и превращается в мартенсит, называется критической скоростью охлаждения (рисунок 2.4,скорость V_K).

Величина критической скорости охлаждения зависит от содержания углерода, наличия и природы лигирующих элементов, размера действительного зерна аустенита. Так для стали 45 критическая скорость охлаждения примерно равна 250 град/сек.