Влияние скорости охлаждения на превращения и структуру стали

Известно, что превращение одной фазы сплава в другую подчиняется закону кристаллизации Таммана: параметры процесса кристаллизации ЧЦК [ 1/м³×с ] и СК [ м/с ] зависят от степени переохлаждения Δt или скорости охлаждения V_охл. сплава в соответствии с рис.11.3. Здесь ЧЦК – число центров кристаллизации новой фазы, которые возникают в единице объёма исходной фазы за единицу времени; СК – скорость роста каждого центра.

1. Рассмотрим вариант очень медленного охлаждения (с печью, т.е. при отжиге) – луч 01 (см. рис.11.2). В этом случае зёрна аустенита превращаются в зёрна перлита (А→П[Ф+Ц]). Это заключение следует из рассмотрения диаграммы «Fe–C», в соответствии с которой при медленном охлаждении аустенит превращается в перлит при 727°С. (см. рис.11.1б). Это превращение начинается в точке а и заканчивается в точке b «С» – образной диаграммы (см. рис.11.2). При этом содержание углерода в аустените составляет 0,8%, а в феррите перлита – 0,02% в соответствии с диаграммой «Fe–C» (см. рис.11.1б).

Превращение состоит из двух частей и начинается с выделения из зёрен аустенита мельчайших пластин цементита – центров кристаллизации. По мере охлаждения эти центры растут, т.е. пластины увеличиваются. Образование и рост пластин цементита, в которых содержание углерода (6,67%) почти в 10 раз больше, чем в исходном аустените (0,8%), указывает на развитие диффузионного процесса в аустените. Этот процесс заключается в перемещении атомов углерода, обеспечивающего его повышенную концентрацию на дефектах кристаллической решётки аустенита и возникновение на этих дефектах зародышей цементита, а также их последующий рост. Описанную часть превращения называют диффузионной. Она приводит к тому, что содержание углерода в зёрнах аустенита уменьшается от 0,8% до 0,02%.

Вторая часть превращения – бездиффузионная – заключается в перестройке кристаллической решётки аустенита в решётку феррита: кубической гранецентрированной в кубическую объёмно-центрированную. Бездиффузионное превращение, как известно, протекает без изменения химического состава фаз, участвующих в этом превращении. Поэтому концентрация углерода в феррите оказывается такой же, что и в аустените – она равна 0,02%

Рассмотренное превращение аустенита в перлит возможно представить символическим образом:

Перлитное превращение

Аустенит ® Перлит [Феррит + Цементит]

Fe_g (0,8%С) ® Fe_a (0,02%С) + Fe₃С (6,67%С)

1. Диффузионная часть превращения

Fe_g (0,8%C) ® Fe₃C (6,67%С) (мелкие пластины)

Fe₃С (мелкие пластины) ® Fe₃C (крупные пластины)

Fe_g (0,8%C) ® Fe_g (0,02%C)

2. Бездиффузионная часть превращения

Fe_g (0,02%C) ® Fe_a (0,02%C)

На рис.11.2 и рис.11.3 отмечена степень переохлаждения Δt₁, соответствующая очень медленному охлаждению.

Рис. 11.3. Влияние степени переохлаждения (скорости охлаждения) на число центров кристаллизации цементита и скорость их роста (схема)

Можно видеть, что при этом величина параметра ЧЦК мала, а параметра СК особенно велика. По этой причине пластины цементита в перлите располагаются сравнительно редко и имеют большие размеры (см. рис.11.4а)

2. Рассмотрим вариант более быстрого охлаждения (на воздухе) – луч 02 на рис.11.2. В этом случае процесс распада аустенита на феррит и цементит не отличается принципиально от рассмотренного при очень медленном охлаждении и состоит из диффузионной и бездиффузионной частей. Вместе с тем, в результате более быстрого охлаждения степень переохлаждения аустенита Δt₂ оказывается больше, чем Δt₁.(см. рис.11.2 и 11.3).

Вследствие этого число центров кристаллизации цементита больше, а скорость роста каждого из них меньше, чем в случае формирования перлита. Образовавшаяся структура состоит, как и перлит, из смеси пластин феррита и цементита, однако количество последних больше, а размеры меньше, чем в перлите (см. рис.11.4б). Такая структура называется сорбит в честь Г.Сорби – исследователя, впервые изучившего эту структуру.

3. Рассмотрим вариант ускоренного охлаждения – луч 03 с Δt₃>Δt₂ (см. рис.11.2 и 11.3). В результате аустенит распадается на ещё более дисперсную смесь, состоящую из очень тонких пластин феррита и цементита (см. рис.11.4в). Такая структура называется троостит в честь Л. Трооста – исследователя, впервые изучившего эту структуру.

4.

Рассмо т рим особый случай охлаждения с максимально возможной скоростью – в воде, – легко доступном в цеховых условиях – луч 04 на рис.11.2). В этом случае степень переохлаждения Δt₄ (см. рис.11.2 и 11.3) столь велика, что величины параметров ЧЦК иСК практически равны нулю. В результате диффузионная часть превращения аустенита, связанная с выделением из него и ростом пластин цементита, полностью подавляется. Вместе с тем, бездиффузионное превращение гранецентрированной кристаллической решётки железа в объёмно-центрированную решётку реализуется:

Fe_g (0,8%C) ® Fe_a (0,8%C).

В процессе этого бездиффузионного превращения содержание углерода в исходной и конечной фазах не изменяется, т.к. во время очень быстрого охлаждения стали (в воде) цементит из аустенита не успевает выделиться. Фаза, которая образуется в результате бездиффузионного превращения аустенита, называется мартенсит в честь известного исследователя А.Мартенса. Т.к. максимальная концентрация углерода в решётке Fe_a после очень медленного охлаждения до 20°С, т.е в равновесном термодинамическом состоянии, не превышает 0,006% (см. рис.11.1б), то мартенсит представляет собой пересыщенный и поэтому неравновесный, т.е. неустойчивый твёрдый раствор внедрения углерода в Fe_a. Охлаждение стального изделия со скоростью, обеспечивающей образование мартенсита, называется закалкой. Цель закалки – получить мартенсит – основную фазу закалённой стали.

Температура начала (М_н) и температура конца (М_к) мартенситного превращения не зависят от скорости охлаждения (см. рис.11.2), но зависят от концентрации углерода и понижаются с его увеличением в стали. У сталей с концентрацией углерода более 0,6% температура точки М_к ниже цеховой температуры (20°С). По этой причине в изделиях из сталей с повышенным содержанием углерода после закалки наряду с мартенситом сохраняется аустенит, который называют остаточным и обозначают А_{ост .} (см. рис.11.2).

«С» – образная диаграмма позволяет определить важную характеристику – критическую скорость закалки стали. Она определяется углом наклона между касательной, проведенной из точки 0 к выступу «С» – образной диаграммы, и горизонтальной линией М_н начала мартенситного превращения (луч 05 на рис.11.2). Т.к. луч 05 не пересекает линию Н начала диффузионной части распада аустенита, то этот угол определяет минимальную скорость охлаждения, которая обеспечивает закалку стали – критическую скорость закалки (V_{кр .} ).

Т.к. у углеродистых, т.е. у нелегированных сталей, минимальное время устойчивости переохлаждённого аустенита очень ограниченно и составляет несколько секунд (см. рис.11.2), то критическая скорость закалки (V_{кр .}) этих сталей особенно велика. По этой причине для того, чтобы закалить изделия из этих сталей, т.е. для того, чтобы получить мартенсит, их необходимо охлаждать с максимальной скоростью ("не задеть" «С» – линии на диаграмме), т.е. в воде. Такое резкое охлаждение является одной из главных причин большой деформации деталей и инструментов из углеродистых сталей, а также образования в них закалочных трещин.

Строение мартенсита. Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решётку. Элементарная ячейка этой решётки – прямая призма с квадратным основанием (см. рис.7.2).

Атомы углерода в ячейке мартенсита располагаются в её свободных местах – между атомами железа, в середине периода с (см. рис.7.2). Подобное расположение атомов углерода искажает решётку (с>а) и тем больше, чем выше концентрация углерода в мартенсите.

Мартенсит имеет пластинчатое строение (см. рис.11.4г). Пластины мартенсита образуются и растут в пределах зерна аустенита. Поэтому чем мельче зёрна аустенита, тем меньше пластины мартенсита.

Дата добавления: 2014-11-25