Основные превращения в стали

1. Превращение перлита в аустенит имеет место при нагреве всех сталей до 727 °С (линия PSK на рис. 5.1). Превращение начинается с зарождения зерен аустенита (рис. 5.2) на поверхности раздела феррит-цементит (решетка Fe_a перестраивается в Fe_g) и заканчивается, когда весь цементит растворится в аустените путем диффузии. Поскольку в каждой перлитной колонии зарождается несколько центров кристаллизации аустенита, то превращение сопровождается измельчением зерна стали. В до- и заэвтектоидных сталях после превращения перлита в аустенит в структуре сохраняются избыточные фазы – феррит и цементит вторичный соответственно. При дальнейшем нагреве феррит превращается в аустенит, а вторичный цементит растворяется в аустените. Мелкие зерна аустенита растут при повышении температуры и времени выдержки.

Перегрев стали –интенсивный рост зерен аустенита при нагреве выше 900 °С. При последующем охлаждении укрупненного аустенита образуются крупные пластинчатые или игольчатые кристаллы феррита – видманштеттова структура, котораяхарактеризуется пониженными механическими свойствами. Перегрев исправляют повторным нагревом до оптимальных температур с медленным охлаждением.

Пережог – окисление границ зерен при нагреве стали близко к температуре плавления. Пережог – неисправимый брак.

2. Диффузионное превращение аустенита в перлит имеет место при малой степени переохлаждения и связано с диффузией углерода, растворенного в Fe_g. Кинетика диффузионного превращения описывается диаграммой изотермического превращения аустенита, которая экспериментально строится обычно по изменению магнитных свойств в координатах «температура – время» (см. рис. 5.3).

Две кривые, напоминающие по форме букву «С», показывают начало (кривая 1) и окончание (кривая 2) превращения аустенита в другие структуры. При температурах t ₁– t ₃ точки Н₁–Н₃ соответствуют началу превращения, точки К₁–К₃ – окончанию. Слева от линии 1 расположена область переохлажденного аустенита. Как видно из диаграммы, время существования аустенита при температурах ниже A ₁ различно и зависит от степени переохлаждения. Минимальная устойчивость аустенита проявляется при температуре порядка 550 °С: время до начала превращения составляет всего 1 секунду. Справа от линии 2 – область продуктов пре вращения, равновесных при определенных температурах.

Перлитные структуры. Образование зародышей цементита чаще всего происходит на границах зерен аустенита (рис. 5.4). Пластинка цементита растет в длину и ширину за счет диффузии углерода из прилегающих областей. Соседние области аустенита обедняются углеродом, и в них образуются пластинки феррита. Рост колоний перлита продолжается до столкновения с колониями, растущими из других центров. Строение и свойства перлита зависят от температуры, при которой он образовался. При увеличении степени переохлаждения растет количество зародышей новой фазы: чередующихся пластинок феррита и цементита. С ростом числа пластинок уменьшаются как их размеры, так и расстояния между ними. Их величину оценивают средней суммарной толщиной D соседних пластинок феррита и цементита, которую называют межпластиночным расстоянием. Межпластиночное расстояние определяет дисперсность структуры, в зависимости от которой продукты распада аустенита имеют различное название (см. рис. 5.5).

Перлит (D = 0,7–1,3 мкм) образуется при переохлаждении до температуры 650–700 °С (см. рис. 5.3) или при охлаждении со скоростью V = 30–50 °С/с. Твердость 180–250 НВ.

Сорбит (по имени английского ученого Сорби) (D = 0,25 мкм) образуется при переохлаждении до температуры 600–650 °С или охлаждении со скоростью V = 60–80 °С/с. Структура характеризуется высокой пластичностью и ударной вязкостью, достаточной упругостью и прочностью. Твердость до 350 НВ.

Троостит (по имени французского ученого Трооста) (D = 0,1 мкм) образуется при переохлаждении до 550–600 °С или охлаждении со скоростью V = 150 °С/с. Структура характеризуется высоким пределом упругости, малой вязкостью, пластичностью. Твердость 350–450 НВ.

Механические свойства продуктов распада аустенита зависят не только от размеров зерен. Определяющее влияние оказывают плотность генерируемых при охлаждении дислокаций и уровень остаточных (термических и фазовых) внутренних напряжений. От их значений зависит интенсивность работы источников Франка–Рида, т. е. плотность генерируемых дислокаций.

Термические напряжения возникают при изменении температуры, фазовые– в процессе превращения аустенита в другие структуры. Эти напряжения обусловлены разницей удельных объемов аустенита и продуктов его распада. Они тем выше, чем больше скорость превращения, т. е. скорость изменения температуры (охлаждения). Аустенит обладает минимальным удельным объемом. Далее в порядке увеличения удельного объема следуют перлит, сорбит, троостит, бейнит и мартенсит.

По мере увеличения скорости охлаждения уровень внутренних напряжений возрастает, что приводит к увеличению плотности дислокаций и соответственному повышению прочности и уменьшению пластичности. Таким образом, перлит, сорбит и тростит должны иметь возрастающие плотности дислокаций, порядка 10⁷, 10⁸ и 10⁹ см^–2.

3. Бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит (по имени немецкого ученого Мартенса) имеет место при высокой степени переохлаждения (см. рис. 5.3), когда процессы диффузии углерода подавлены. Горизонтальные линии М_Н и М_К на рис. 5.3 показывают начало и конец бездиффузионного превращения аустенита вмартенсит.

Минимальная скорость охлаждения V _К,при которой аустенит переохлаждается до температуры М_Н без диффузии углерода и превращается в мартенсит, называется критической скоростью.

При такой скорости охлаждения диффузионные процессы не успевают пройти: переохлажденный аустенит претерпевает бездиффузионное полиморфное превращение Fe_g®Fe_a, которое не сопровождается перераспределением атомов углерода. Весь углерод аустенита остается в решетке Fe_a. Кубическая решетка искажается и превращается в тетрагональную. Образуется мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe_a. Искажение решетки характеризуется тетрагональностью (с / а > 1), пропорциональной содержанию углерода. При искажении решетки железа атомами углерода возникают большие напряжения. Следствие компенсации напряжений – большая плотность дислокаций и высокая твердость мартенсита (до 65 HRC).