Превращение аустенита при различных степенях переохлаждения

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше Ас3 (для доэвтектоидной стали) или выше Асm (для заэвтектоидной стали), переохладить до температуры ниже А₁, то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращение.

Для описания кинетики превращения переохлажденного аустенита пользуются экспериментально построенными диаграммами время–температура– степень распада, или диаграммами изотермического превращения аустенита, т.е. превращения, протекающего при постоянной температуре.

Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита (т.е. выше критической точки), а затем быстро охлаждают (переохлаждают) до температуры ниже А₁ (например, до 700, 600, 500, 400, 300 °С и т.д.) и выдерживают при этих температурах различное время, в том числе и до полного распада аустенита. Степень его распада можно определять разными методами: микроскопическим, магнитным, дилатометрическим и др.

Результаты исследования описываются кинетической кривой, по которой можно оценить количество распавшегося аустенита в зависимости от времени, прошедшего с момента начала распада. Как видно из рис. 4.18, а, в течение некоторого промежутка времени (Н1, Н2, Н3) распад аустенита экспериментально не фиксируется. Этот период называют инкубационным.

По истечении этого периода аустенит начинает распадаться с образованием более стабильных структур. В области повышенных температур он протекает с образованием структуры, состоящей из феррита и цементита. Через различные промежутки времени (К₁, К₂, К₃) процесс распада постепенно затухает и, наконец, полностью заканчивается или приостанавливается.

Построение таких кривых в изотермических условиях при разных температурах (t1, t2, t3) позволяет получить диаграмму изотермического превращения аустенита (рис. 4.18, б). Для этого нужно отрезки времени, соответствующие началу (Н1, Н2, Н3) и концу распада аустенита (К1, К2, К3) или какой-то заранее принятой степени превращения для каждой из исследуемых температур (t₁, t₂, t₃), перенести на график, на котором по оси абсцисс откладывают время, а по оси ординат – температуру, и одноименные точки соединить плавными кривыми. На диаграмме изотермического превращения аустенита (рис. 4.18, б) кривая 1 характеризует начало распада аустенита, а кривая 2 показывает время, необходимое для полного распада аустенита.

Область, лежащая левее кривой начала распада аустенита, относится к инкубационному периоду, в интервале температур и времени, определяемых этой областью, существует переохлажденный аустенит, практически не претерпевающий заметного распада. Длительность инкубационного периода характеризует устойчивость переохлажденного аустенита. С увеличением переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума, и далее вновь возрастает.

При температуре наименьшей устойчивости аустенита скорость превращения очень велика. Повышение устойчивости аустенита и уменьшение скорости его превращения при больших степенях переохлаждения определяется снижением скорости образования и роста новых фаз вследствие замедления процесса диффузии.

При переохлаждении аустенита до температуры, равной или ниже мартенситной точки (Мн), соответствующей температуре начала превращения переохлажденного аустенита в мартенсит, диффузионные процессы полностью подавляются и образование структуры, состоящей из феррита и цементита, становится невозможным. В этом случае протекает бездиффузионное превращение аустенита в структуру закаленной стал и, называемую мартенситом.

Рис. 4.18. Схема построения диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита для эвтектоидной стали: а – кинетические кривые, б – диаграммы изотермического превращения аустенита

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области или ступени превращения (рис. 4.18, б): перлитную, область промежуточного превращения (промежуточного между перлитным и мартенситным превращением) и мартенситную.

Перлитная область в углеродистых сталях распространяется на интервал температур от точки А₁ до изгиба изотермической диаграммы (~ 550 °С).

Промежуточное превращение протекает при температурах от изгиба кривой (~ 550 °С) до точки Мн. В результате превращения переохлажденного аустенита образуется структура, получившая название бейнита.

Ниже температуры, соответствующей точке Мн, переохлажденный аустенит бездиффузионно превращается в мартенсит.

Это следует из того, что аустенит, например, углеродистой стали (рис. 4.19), практически однородный по концентрации углерода, распадается с образованием феррита (почти чистое железо) и цементита, содержащего 6,67 % С. Ведущей, в первую очередь возникающей фазой при этом является карбид (цементит). Как правило, его зародыши образуются на границах зерен аустенита.

В результате роста частиц этого карбида прилегающий к нему объем аустенита обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфное γ → α- превращение. При этом кристаллы феррита зарождаются на межфазных границах с цементитом, где этот процесс облегчен.

Рис. 4.19. Продукты распада аустенита: а – схемы образования (I – аустенит; II – образование зародыша цементита на границе зерна аустенита; III – образование пластины феррита; IV–VI – рост и образование новых пластин цементита и феррита (перлита); VII – перераспределение углерода при образовании перлита; 1 – высокая концентрация углерода – цементит (6,67 % С); 2 – низкая концентрация углерода – феррит (0,02 % С); Δ0 – межпластиночное расстояния); б – микроструктуры пластинчатого перлита при разном увеличении.

Перлитное превращение переохлажденного аустенита носит кристаллизационный характер и начинается по диффузионному механизму.

Дальнейший рост ферритных пластин ведет к обогащению окружающего аустенита углеродом, что затрудняет дальнейшее развитие γ → α-превращение.

В обогащенном таким образом углеродом аустените зарождаются новые и растут ранее возникшие пластинки цементита. В результате происходит колониальный (совместный) рост кристаллов феррита и цементита, образующих перлитную колонию (рис. 4.19). Размер перлитных колоний («перлитное зерно») тем меньше, чем мельче зерно исходного аустенита и больше степень его переохлаждения.

Продукты перлитного превращения имеют пластинчатое строение. Чем больше переохлаждение, тем тоньше получающаяся феррито-цементитная структура, т.е. меньше величина межпластинчатого расстояния (Δ0), равного усредненной сумме толщин двух пластинок феррита и цементита, и выше твердость. Пластинчатые структуры эвтектоидного типа часто определяют как перлит, сорбит и троостит (табл. 4.11).

Таблица 4.11

Характеристика продуктов распада аустенита

Рис. 4.20. Диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита а – доэвтектоидная сталь (0,45 % С); б – эвтектоидная сталь (0,8 % С); в – заэвтектоидная сталь (1,2 % С)

С увеличением степени дисперсности феррито-цементитной структуры (уменьшением Δ0), т.е. с понижением температуры его распада, твердость, временное сопротивление, пределы текучести и выносливости возрастают.

Изотермическое превращение аустенита в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях отличается от превращения в эвтектоидной стали тем, что в верхнем интервале температур сначала выделяются избыточные фазы: феррит (в доэвтектоидной стали) или цементит (в заэвтектоидной стали).

Начало выделения избыточного феррита (цементита) на диаграмме изотермического распада отмечается дополнительной кривой (рис. 4.20).

Увеличение содержания углерода в аустените доэвтектоидной концентрации повышает его устойчивость (кривые изотермической диаграммы сдвигаются вправо).

Дата добавления: 2014-01-03