Превращения аустенита при охлаждении с различной скоростью

Диффузия

Диффузия – процесс переноса ионов, атомов или молекул, сопровождающийся изменением их концентрации в различных частях вещества.

В кристаллических веществах диффузия протекает путем перехода структурных частиц (ионов или молекул) из узла кристаллической решетки в соседний свободный узел или в междоузлие под действием теплового возбуждения.

Процесс переноса структурных частиц основного вещества, например, ионов металла, называется самодиффузией.

Процесс диффузии описывается первым законом Фика:

где dm / dτ - скорость переноса массы вещества, D – коэффициент диффузии, dc/dx - градиент концентрации, dc ≈ с₂ – с₁, dx - толщина диффузионного слоя, dS - площадь поверхности переноса (рис. 75.3).

Коэффициент диффузии увеличивается при увеличении температуры в соответствии с законом С. Аррениуса:

где D ₀ – коэффициент, определяемый природой вещества, Е – энергия активации процесса диффузии, R – газовая постоянная.

с ₁

с ₂

Рис. 75.3. К первому закону Фика

В процессе медленного охлаждения эвтектоидной стали (0,8 % С) при t = 727 °С протекает обратимый диффузионный процесс превращения аустенита в перлит (рис.75.4):

γ (ГЦК; 0,8 % С) → [α(ОЦК; 0,02 % С) + Fе₃C(6,67 % С)],

Процесс сопровождается диффузионной перестройкой кристаллической структуры – из ГЦК-решетки аустенита в результате самодиффузии железа образуются две различные кристаллические решетки - ОЦК-решетка феррита и ромбоэдрическая (РЭ) кристаллическая решетка цементита. Процесс также сопровождается диффузией углерода – из фазы, содержащей 0,8 % С образуются две новые фазы с различным содержанием углерода – 0,02 и 6,67 %, соответственно (рис. 75.4).

Рис. 75.4. Диффузионное и бездиффузионное превращения аустенита

Рассмотрим диаграмму изотермического превращения аустенита (С- образную кривую) на примере эвтэктоидной стали (0,8 % С) (рис. 75.5). Кривая 1 – линия начала превращения аустенита, кривая 2 - линия конца превращения аустенита, t = 550 °С - температура минимальной устойчивости аустенита, М _н = 240 °С – температура начала мартенситного превращения, М _к = - 50 °С – температура конца мартенситного превращения.

Рассмотрим, как будет изменяться структура аустенита в зависимости от скорости его охлаждения (рис. 75.5, табл. 75.1). Скорости охлаждения изобразим векторами V ₁, V ₂, V ₃, V ₄ и V ₅.

- V ₁ (~100 °С/час) - медленное охлаждение вместе с печью; образуется равновесная структура пластинчатый перлит (НВ 2000, суммарная толщина пластин феррита и цементита L ₀ = 0,5 – 1,0 мкм);

Рис. 75.5. Диаграмма изотермического превращения аустенита

- V ₂ (~ 3 °С/c) – охлаждение на спокойном воздухе; образуется структура сорбит закалки пластинчатого строения (НВ 2500, суммарная толщина пластин феррита и цементита L ₀ = 0,3 – 0,5 мкм);

- V ₃ (~ 150 °С/c) – охлаждение в минеральном масле; образуется структура троостит закалки пластинчатого строения (НВ 3500, суммарная толщина пластин феррита и цементита L ₀ = 0,1 – 0,3 мкм);

Перлит, сорбит закалки и троостит закалки – это механические смеси феррита и цементита различной степени дисперсности. Структуры имеют пластинчатое строение. Наибольшая толщина пластин в перлите, наименьшая – в троостите.

- V _кр (~ 400 °С/c) – критическая скорость закалки – минимальная скорость охлаждения стали, при которой протекает процесс бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит М (рис. 75.4):

γ (ГЦК; 0,8 % С) → M [ОЦК; 0,8 % С].

Таблица 75.1

Структуры стали, образующиеся при различных скоростях охлаждения аустенита

Cкорость охлаждения, °C/с	Структура	НВ, МПа	L 0, мкм
V1	100 °/час	перлит	α L 0 Fe3C		0,5 - 1,0
V 2		сорбит закалки			0,3 - 0,5
V 3		троостит закалки			0,1 - 0,3
V 4		мартенсит и остаточный аустенит	М γ		-
V 5		мартенсит	М		-

Рис. 57.6. Схема бездиффузионного превращения аустенита (ГЦК) в мартенсит (ОЦК)

При мартенситном превращении происходит бездиффузионная перестройка ГЦК в ОЦК (рис. 75.6), диффузия углерода также отсутствует. Последнее приводит к возникновению в ОЦК внутренних напряжений, создающих в решетке степень тетрагональности k до 10 % (рис.75.7):

k = с/а,

где с и а - параметры кристаллической решетки.

Степень тетрагональности ОЦК увеличивается при увеличении содержания углерода (рис.75.7).

С, %

k

Рис. 75.7. Зависимость степени тетрогональности k кристаллической решетки от содержания углерода в мартенсите

Таким образом, мартенсит – это пересыщенный твердый раствор углерода в α - железе.

Пересыщение р определяется по выражению:

р = С_м / С_р,

где С_м – содержание углерода в мартенсите, С_р - равновесное содержание углерода в феррите (0,006 % при t = 20 °C).

- V ₄ (~ 600 °С/c) – охлаждение в воде до 0 °C; образуется структура, включающая мартенсит и остаточный аустенит (НВ ~ 5500);

- V ₅ (~ 1000 °С/c) – охлаждение в жидком азоте до М _к (- 50 °C); образуется мартенсит (НВ ~ 6500);

Процесс превращения аустенита в мартенсит протекает в интервале температур М _н - М _к (рис. 75.8). Интервал мартенситного превращения зависит от содержания углерода в стали:

- при С < 0,6 % М _к > 0 °C; аустенит полностью превращается в мартенсит при положительных температурах;

- при С = 2,14 % М _н = 0, М _к = - 200 °C; при охлаждении до 0 °C образуется переохлажденный аустенит, полностью мартенситная структура может быть получена при охлаждении аустенита ниже - 200°C;

- С = 0,6 - 2,14 %; при охлаждении до температуры, лежащей внутри интервала М _н - М _к,образуется структура М + γ_ост; при t < М _к – мартенсит.

М _к

М _н

t, ºC

С, %

Рис. 75.8. Влияние содержание углерода на температурный интервал мартенситного превращения

Контрольные вопросы

1. Как изменяется размер зерна стали при нагреве и медленном охлаждении?

2. Дайте определение диффузии и самодиффузии. Закон Фика.

3. Как изменяются структура и свойства стали при охлаждении аустенита с различной скоростью?

4. Что такое критическая скорость закалки стали?

5. Дайте определение сорбита, троостита и мартенсита закалки.

6. Что такое степень тетрагональности кристаллической решетки мартенсита?

7. Чем отличаются процессы диффузионного и бездиффузионного превращений аустенита?

Дата добавления: 2017-01-13