Перетворення аустеніту при охолоджуванні

2.2.2.1 Перлітне перетворення

При охолоджуванні аустеніту евтектоїдної сталі нижче за лінію А₁ відбувається його розпад на ферит і цементит Fe_y(C) Þ Fe_a(С) + Fe₃C. Швидкість цього процесу визначається наступними чинниками.

При температурі А₁ перетворення не відбувається, а може початися тільки після деякого переохолодження, коли вільна енергія аустеніту буде вище вільної енергії суміші фериту і цементиту. Чим більше переохолодження, тим більше різниця вільних енергій і тим швидше проходить перетворення.

Фази, які утворюються при розпаді аустеніту, сильно відрізняються по складу (ферит містить 0,025%С, цементит – 6,67% C) і тому для такого перетворення необхідна дифузія, швидкість якої при пониженні температури зменшуватиметься.

Таким чином, на процес перетворення аустеніту при переохолодженні нижче А₁ впливають два протилежних за дією чинника. При зниженні температури збільшується різниця вільних енергій, що повинно підвищувати швидкість перетворення. Але при цьому сповільнюються дифузійні процеси, що знижує швидкість перетворення.

Ступінь переохолодження зумовлює механізм і кінетику перетворення і, як наслідок, структуру і властивості сталі.

Перетворення аустеніту аналізують в ізотермічних умовах, охолоджуючи зразки до визначеної температури нижче А₁ і фіксуючи початок і кінець розпаду аустеніту. Далі точки початку і кінця перетворення з'єднуються кривими, внаслідок чого на діаграмі ізотермічного розпаду аустеніту утворюються С-подібні криві (рис. 10).

При евтектоїдному перетворенні аустеніту збільшується питомий об'єм, падає електроопір і сталь переходить з парамагнітного у феромагнітний стан. На дослідженні змін цих фізичних властивостей засновані дилатометричний, електричний і магнітний методи визначення часу початку і кінця перетворення.

Стійкість аустеніту, що переохолоджується, характеризується інкубаційним періодом, тобто відрізком часу (від осі координат до лінії початку перетворення), протягом якого не фіксується наявність продуктів розпаду.

Температура, яка відповідає мінімальному інкубаційному періоду, називається температурою мінімальної стійкості аустеніту (t_min, ^оС).

На діаграмі ізотермічного розпаду аустеніту розрізняють три області, відповідні перлітному (А₁…t_min,^оС), проміжному (t_min,^оС…М_п) і мартенситному (нижче М_п) перетворенням.

Характерною особливістю перлітного перетворення є кооперативне зростання двофазної перлітної колонії шляхом дифузійного утворення фериту і цементиту. Центром утворення перлітної колонії може бути або цементит, або ферит, зародження яких полегшене на межах аустенітних зерен.

При утворенні і зростанні цементитної пластини аустеніт поблизу неї обідняється вуглецем і створюються умови для зародження феритних пластин шляхом поліморфного g - a перетворення. При подальшому зростанні феритної пластини вуглець відтісняється в аустеніт, оскільки ферит практично не містить вуглецю, і в аустеніті створюються умови для появи нових цементитних пластин і т. д.

Рисунок 10 - Діаграма ізотермічного розпаду

аустеніту в евтектоїдній сталі

Міжпластинчаста відстань (або сумарна товщина пластин фериту і цементиту) постійна для даної температури утворення і із збільшенням переохолодження зменшується, при цьому міцні властивості і твердість зростають.

При розпаді аустеніту в температурному діапазоні від А₁ до 650^оС міжпластинчаста відстань в колонії дорівнює 0,5…1 мкм, будову добре видно при середніх збільшеннях в мікроскопі, твердість складає 170…230НВ, і такий евтектоїд називають перлітом.

У районі температур 650…600^оС утворюється сорбіт, твердість якого складає 230…330НВ, а міжпластинчаста відстань – 0,2…0,4 мкм. Будову сорбіту можна виявити лише при великих збільшеннях оптичного мікроскопа.

Розпад аустеніту в інтервалі температур 600^оС… t_min,^оС приводить до утворення троостіту, що є дисперсною (будова виявляється тільки при електронномікроскопічному дослідженні) механічною сумішшю з міжпластинчастою відстанню до 0,1 мкм і твердістю 330…400НВ.

У до- і заевтектоїдних сталях перлітному перетворенню повинне передувати виділення надмірних фаз, відповідно, фериту і надмірного цементиту. Кількість надмірної фази із збільшенням швидкості охолоджування зменшується і при достатньо великому переохолодженні її утворення у вигляді самостійної структурної складової повністю запобігає (рис. 11).

Рисунок 11 - Діаграма ізотермічного розпаду аустеніту

в доевтектоїдній (а) і заевтектоїдній (б) сталях

2.2.2.2 Мартенситне перетворення

Якщо аустеніт переохолоджувати до температури, коли відсутня дифузія вуглецю, то перетворення аустеніту відбувається без виділення з нього вуглецю, і здійснюється лише поліморфне перетворення Fe_g(С) > Fe_a(C). Це перетворення називається бездифузійним, а структура, що утворилася, – мартенситом.

Мартенсит є пересиченим твердим розчином вуглецю в a – залізі, оскільки в ньому концентрація вуглецю така ж, як в початковому аустеніті, а в Fe_a у рівноважному стані при кімнатній температурі розчиняється тільки 0.0025% С.

Перетворення є бездифузійним, перебудовуються тільки атоми заліза. Мартенситне перетворення розуміють як зрушення або зсув якогось об'єму металу по певній площині на відстані менше за міжатомних з одночасним g Þ a перетворенням.

Унаслідок розчинення великої кількості вуглецю об'ємноцентровані кубічні грати фериту витягуються уздовж одного з ребер (с), тобто виникає тетрагональність. Ступінь тетрагональності, тобто відношення с/а>1, залежить від кількості вуглецю, розчиненого в гратках.

У сталях мартенситне перетворення є необоротним, кристали мартенситу утворюються за 10^-7с, а вся порція кристалів – за 10^-3с, після чого перетворення припиняється і поновлюється після продовження охолоджування.

Мартенситне перетворення відбувається в деякому температурному діапазоні. Існують температури початку (Мп) і кінця (Мк) мартенситного перетворення, які знижуються при підвищенні змісту вуглецю (рис. 12).

Рисунок 12 - Залежність температури початку (М_п) і кінця (М_к)

мартенситного перетворення від змісту вуглецю

у вуглецевих сталях

Унаслідок цього в сталях із змістом вуглецю > 0,5% мартенситне перетворення не завершується при кімнатній температурі, і частина аустеніту не розпадається. Цей аустеніт називається залишковим і його кількість збільшується з підвищенням в сталі вуглецю.

Температура початку мартенситного перетворення не залежить від швидкості охолоджування, а визначається тільки хімічним складом.

При температурі М_Н перетворення тільки починається і, щоб воно розвивалося, необхідно безперервно охолоджувати вуглецеву сталь в мартенситному інтервалі. Якщо охолоджування припинити і витримувати вуглецеву сталь при постійній температурі усередині мартенситного інтервалу, то утворення мартенситу майже зразу ж припиняється.

Мартенсит має голчату структуру. При утворенні пластина мартенситу розвивається усередині зерна аустеніту, розростаючись від межі до межі. Це означає, що чим крупніше зерно аустеніту, тим довше будуть мартенситні пластини, що утворилися. Для отримання високого комплексу механічних властивостей необхідно добиватися дрібногольчатої мартенситної структури, що досягається лише при початковому дрібному зерні аустеніту.

2.2.2.3 Бейнітне перетворення

Температурний інтервал бейнітного перетворення розміщується між інтервалами перлітного і мартенситного перетворень, і тому його ще називають проміжним.

Механізм бейнітного перетворення складніший, ніж перлітного і мартенситного, і реалізується таким чином. У аустеніті, що переохолоджує, відбувається дифузійний перерозподіл вуглецю, в результаті якого утворюються ділянки аустеніту, що збагачені і збіднені вуглецем. Утворення концентраційної неоднорідності приводить до виникнення напруг, які викликають мартенситне перетворення в ділянках аустеніту з малою кількістю вуглецю (до 0.3%), для яких точка Мп співпадає з температурою ізотермічної витримки. Виділення карбідів, які спостерігаються в структурі сталі після бейнітного перетворення, проходить вже після g Þ a перетворення.

При високих температурах, близьких до перлітного перетворення, концентраційний перерозподіл значніший, ніж при низьких температурах ближчих до точки Мп. Через це розрізняють верхній і нижній бейніти, які відмінні за мікроструктурою і властивостями.

Бейніт, що утворився при 400...550^оС, називають верхнім. Він має перисту будову і володіє несприятливим поєднанням механічних властивостей: знижена міцність (через збереження аустеніту, що не розпався) поєднується з низькими пластичністю і в'язкістю.

При нижчих температурах утворюється нижній бейніт з пластинчастою будовою. Нижній бейніт, що утворився при температурах на 50...100^оС вище за лінію Мп володіє високою міцністю і одночасно високими пластичністю і в'язкістю.

Дата добавления: 2014-01-07