Превращения в сталях при охлаждении

Аустенит является устойчивым при температурах выше А₁ (727^о С). При охлаждении стали ниже равновесной точки А₁ запас свободной энергии аустенита становится выше, чем у продуктов его распада и начинается спонтанный (самопроизвольный) процесс превращения аустенита в ферритно-цементитную смесь.

При распаде аустенита имеют место два самостоятельных процесса:

· перестройка решетки гамма-железа в альфа-железо (К12 в К8); это процесс практически бездиффузионный, т. к. не требует существенного перемещения атомов;

· выделение цементита и образование ферритно-цементитной смеси, что неизбежно связано с диффузией атомов углерода по объему (аустенит, содержащий 0,8%С, превращается в феррит с 0,020% С и цементит с 6,67% С). Именно скорость диффузии углерода определяет время и характер распада аустенита при температурах ниже A₁. С понижением температуры скорость диффузии уменьшается.

А (0,8% С) ® Ф (0,020% С) + Ц (6,67% С).

Очевидно, что на процесс превращения А ® (Ф+Ц) оказывают влияние два противоположных фактора:

1. Разность свободных энергий DF. Чем больше DF, т. е. ниже температура, тем интенсивнее будет происходить превращение А в Ф+Ц смесь. Как при любом процессе кристаллизации с увеличением степени переохлаждения возрастает число центров кристаллизации и уменьшается скорость роста кристаллов, соответственно размер зерен будет мельче.

2. Скорость диффузии D. Чем ниже температура, тем меньше диффузия, т. к. меньше подвижность (тепловые колебания) атомов.

Суммарное действие обоих факторов приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигает максимума при температуре t_min и затем убывает.

При температуре М_н диффузия практически прекращается и образование Ф+Ц смеси становится невозможным. Углерод, растворенный в аустените (решетка К12), остается в растворе и после перестройки решетки (К8). Образуется пересыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе- мартенсит (продукт бездиффузионного превращения).

Процесс превращения переохлажденного аустенита при постоянной температуре графически может быть изображен в виде диаграммы изотермического превращения (рисунок 4.4). Образцы нагревают до температуры выше А₁ и быстро переносят в среду с заданной температурой (700⁰, 600⁰, 500⁰ и т. д.). Измерение количества распавшегося аустенита фиксируется во времени с помощью анизометра по накоплению в образце магнитной фазы (аустенит-немагнитен, феррит-магнитен).

Рассмотрим процесс изотермического распада аустенита для эвтектоидной стали (0,8% С).

При выдержке при постоянных температурах до точек а превращения практически не происходит (скорость распада пренебрежительно мала). Это инкубационный период при данной температуре. В точке а обнаруживается начало превращения (0,5-1,2% перлита). В точке в превращение заканчивается.

При малых и больших степенях переохлаждения инкубационный период большой и превращения идут медленно. В первом случае из-за малой DF, во втором – из-за малой D.

Рисунок 4.4 – Диаграмма изотермического превращения аустенита (сталь с 0,8% С)

Такие диаграммы называют С-образными или просто С-кривыми. Впервые построены Бэйном и Давенпортом в 1930 г., но имели погрешности. Правильное изображение дал А. П. Гуляев в 1935 г.

Из анализа диаграммы видно следующее:

1. Выше линии А₁ – зона устойчивого аустенита.

2. Левее линии начала превращений (геометрическое место точек а) – зона переохлажденного аустенита в течение инкубационного периода.

3. Между линиями начала и конца превращения – зона одновременного существования переохлажденного аустенита и продуктов его распада.

4. Правее линии конца превращений (геометрическое место точек в) – зона перлитных структур.

Физическая природа этих структур совершенно одинакова – это эвтектоид – ферритно-цементитная смесь. Но в зависимости от температуры и времени их образования они отличаются дисперсностью и, следовательно, механическими свойствами (твердостью, прочностью, вязкостью).

При малых степенях переохлаждения (727-650⁰С) получается структура перлита пластинчатого с размерами пластинок от 0,7 (при 727⁰С) до 0,5 мкм (при 650⁰С) и соответственно твердостью от 10 до 20 HRC. Частички этой (Ф+Ц) смеси хорошо видны в микроскоп при увеличении в 200 раз.

При средних степенях переохлаждения (650-600^оС) за счет снижения скорости диффузии образуется более мелкая (более дисперсная) смесь (Ф+Ц) – сорбит. Размер пластинок 0,5-0,3 мкм, твердость 20-30 HRC, частички рассматриваются в микроскоп только при увеличении в 1000 раз и более.

При переохлаждении 600-550^оС получают очень дисперсную структуру (0,1 мкм) с твердостью до 40 HRC – троостит. Частички можно рассмотреть только в электронный микроскоп при увеличении в 10000 раз и более. В оптическом микроскопе виден общий темный фон.

Ниже изгиба С-кривой (550-240⁰С) образуется еще более дисперсная структура, имеющая игольчатое строение – игольчатый троостит или бейнит. Твердость 40-55 HRC, частички видны только при увеличении более чем в 20000 раз.

При температурах ниже Мн (240⁰С) происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит.

С-диаграммы являются основой для термообработки стали.

Для доэвтектоидных сталей диаграмма будет дополнена линией выделения феррита, для заэвтектоидных сталей – линией выделения цементита.

Диаграмма изотермического превращения аустенита на практике реализуется редко (изотермический отжиг, изотермическая закалка), чаще же охлаждение ведут непрерывно. В этом случае более точную количественную характеристику превращения аустенита дает термокинетическая (анизотермическая) диаграмма. Строится она также экспериментально, но при непрерывном охлаждении образцов с различной скоростью.

Как показывают опыты, качественные закономерности остаются прежними (вид, форма кривых), но количественные значения несколько изменяются. Установлено, что кривые начала и конца превращения аустенита смещаются вправо, т. е. в действительности превращение идет при более низких температурах (рисунок 4.5). Кроме того, после превращения структура стали получается неоднородной (например, перлит + сорбит, бейнит + мартенсит и т. д.).

Наложим кривые охлаждения на диаграмму изотермического распада. В координатах «температура-время» скорость охлаждения выражается вектором, проведенным из точки начала охлаждения под углом к оси температур.

При скорости охлаждения V₁ превращения начинаются в области образования перлита (точка а₁), а заканчиваются в области образования сорбита. Превращения протекают до конца, но структура получается неоднородной (П+С). Аналогично при скорости охлаждения V₂ – структура С+Т. При скорости V₃ полного превращения не происходит и часть аустенита ниже линии М_н превращается в мартенсит. Скорость охлаждения V_кр определяет границу перехода от диффузионных перлитных или промежуточных превращений к бездиффузионному мартенситному превращению и называется критической скоростью закалки.

Рисунок 4.5 – Наложение на С-диаграмму кривых охлаждения (сталь с 0,8% С)

Чтобы закалить сталь, ее нужно охлаждать со скоростью не ниже критической (например, V_кр или V₄).

На устойчивость переохлажденного аустенита, а следовательно на критическую скорость закалки влияют следующие факторы:

а) легирующие элементы, растворенные в аустените (кроме кобальта), уменьшают критическую скорость закалки (сдвигают С-диаграмму вправо), т. к. задерживают процесс диффузии атомов углерода;

б) чем крупнее действительное зерно аустенита, тем меньше V_кр, т. к. образование зерен (Ф+Ц) смеси происходит по границам зерен, а при крупном зерне требуется больше времени, чтобы углерод из центра зерна достиг его границы;

в) наличие карбидообразующих элементов увеличивает V_кр, т. к. частички карбидов являются дополнительными центрами кристаллизации;

г) с увеличением содержания углерода до 0,8% V_кр уменьшается, т. к. углерод, растворенный в аустените, понижает скорость диффузии, а затем V_кр увеличивается, т. к. цементит вторичный, создавая дополнительные ЦК, уменьшает устойчивость переохлажденного аустенита.

Мартенситное превращение. Ниже температуры М_н (240⁰С для стали с 0,8% С) при непрерывном охлаждении со скоростью выше критической переохлажденный аустенит превращается в мартенсит. Поскольку при этих температурах диффузионные процессы оказываются подавленными, происходит лишь перестройка решетки К12 (гамма-железо) в К8 (альфа-железо) без образования цементита и перераспределения углерода. Продуктом такого превращения является мартенсит.

Мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе с такой же концентрацией углерода, как и в исходном аустените.

Ввиду большого перенасыщения углеродом решетка ОЦК (К8) превращается (искажается) в тетрагональную Т8 (рисунок 4.6). Степень тетрагональности изменяется в зависимости от содержания углерода.

Рисунок 4.6 – Кристаллические решетки К8 (а) и Т8 (б).

Искажения решетки ведут к увеличению твердости и снижению пластичности, увеличению объема примерно на 3%. Поэтому мартенсит – наиболее твердая, хрупкая структура с большими внутренними напряжениями.

Превращение А®М в отличие от превращения А ® (Ф+Ц) характеризуется следующими особенностями:

1. Превращение А®М носит бездиффузионный характер (т.е. не требуется перераспределение углерода), необходимо лишь наличие значительно большей разности свободных энергий. Протекает с огромной скоростью (примерно со скоростью звука в металле). Превращение А → М начинается в местах скопления дислокаций, где требуется меньшая энергия для перемещения атомов. Увеличение количества мартенсита осуществляется не за счет роста кристаллов, а за счет образования все новых и новых кристаллов мартенсита в других кристаллографических плоскостях аустенита.

2. Превращение А®М может протекать только при непрерывном охлаждении, тогда как перлитное – и при непрерывном и изотермически. При прекращении охлаждения мартенситное превращение практически не происходит, т. к. объем мартенсита на 3% больше объема аустенита, в результате чего в аустените появляются внутренние напряжения, которые приводят к фазовому наклепу аустенита вследствие пластической деформации.

3. Превращение А®М никогда не идет до конца: всегда в закаленной стали, кроме мартенсита остается небольшое количество остаточного аустенита.

4. При превращении А®М возникают большие внутренние напряжения, которые вызывают деформацию (коробление), а иногда и трещины. Поэтому после закалки применяют отпуск (нагрев от 150 до 700⁰С).

Из всех продуктов распада аустенита мартенсит характеризуется самой высокой твердостью, большими внутренними напряжениями, малой пластичностью и ударной вязкостью. Эти свойства проявляются тем сильнее, чем больше углерода растворено в мартенсите.

Отжиг и нормализация

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: