Превращение перлита в аустенит при нагреве и охлаждении

Основы теории термической обработки сталей и сплавов

Начало изучения процессов термической обработки свя­зано с открытием в 1868 г. Д. К. Черновым существова­ния критических температур фазовых превращений в сталях. Дальнейший значительный вклад в разработ­ку теории термической обработки сталей внесен отечественными учеными С. С. Штейнбергом, Г. В. Курдюмовым, В. Д. Садовским, а также зарубежными исследователя­ми Бейном, Мелом и др.

Основными процессами, рассматриваемыми в теории термической обработки стали, являются фазовые превра­щения. Важнейшими из них являются: превращение перлита в аустенит (П ® А), происходящее при нагреве стали; превращение аустенита в перлит (А ® П) при охлаждении; превращение аустенита в мартенсит (А ® М) при быстром охлаждении (закалке); и, наконец, распад мартенсита при отпуске закаленной стали (этот процесс для углеродистых сталей записывают в виде реакции (М ® А + Ц); где Ц - означает цементит, либо в несколько другой форме, применяемой для описания превращений в легированных сталях (М ® А + К), где К - специальные карбиды.

Основные закономерности фазовых превращений, происходящих в так называемых цветных сплавах, в частности старение, рассмотрим в конце данного раздела.

(первое основное превращение в стали)

Превращение перлита (Ф + Ц) в аустенит (А) происходит путем образования зародышей аустенитной фазы и их последующего роста по рассмотренным выше законам кристаллизации.

Указанные зародыши могут образовываться лишь при нагреве до температур, при которых аустенит является более устойчивой фазой, чем смесь феррита и цементита.

В соответствии с диаграммой состояния Fe - C равновесные температуры фазовых превращений (критические точки) определяются линиями: PSK (точка А₁ = 727 ⁰С), соответствующая равновесию П ® А, GS (точка А₃), соответствующая равновесию цементита и аустенита. Равновесные состояния достигаются при соответствующих температурах при длительной выдержке.

Критические точки, фиксируемые как при нагреве, так и при охлаждении не совпадают с равновесными (наблюдается гистерезис). Следовательно, для проведения превращения П ® А нужно нагревать сталь до температуры превышающей А_С1, чтобы появился термодинамический стимул для образования зародышей аустенита. Возникает вопрос о месте появления этих зародышей. Из теории кристаллизации следует, что зародыш с большой вероятностью образуется в местах с наименьшей величиной межфазной энергии. Такими местами появления зарождающихся частиц аустенита являются участки границ раздела феррита с цементитом, в которых за счет флуктуаций состав микрообластей становится близким к составу выделяющихся фаз.

Кинетическое выражение для скорости зарождения новой фазы имеет вид:

V = k exp(-U/kT)exp(-Bs³/TDT²), (41)

где U - энергия активации железа, Дж/ат;

s - межфазное натяжение, Дж/м²;

В - постоянная;

DT - отклонение фактической температуры процесса (Т) от температуры равновесного сосуществования фаз (степень перегрева или переохлаждения).

Зависимость скорости превращения П ® А от условий нагрева стали представлена на рис. 68. Видно, что при изотермических выдержках скорость превращения тем выше, чем выше температура нагрева (кривые 1 - 4), а при непрерывном нагреве превращение начинается при тем более низких температурах, чем меньшей была скорость нагрева, как это следует из сравнения точек пересечения прямых I - III с кривой 1.

Появившиеся зародыши аустенита с увеличением времени изотермической выдержки будут расти.

Движущей силой процесса является выигрыш свободной энергии системы, связанный с одной стороны с перестройкой решетки феррита в аустенит, растворением цементита в аустените, а с другой стороны повышением поверхностной энергии, обусловленным появлением «новых» границ раздела.

Рис. 68. Диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит

Достаточного объема данных, необходимых для описания механизма перехода П ® А пока нет, хотя весь комплекс имеющихся результатов исследований говорит о его диффузионном характере.

Следует отметить, что после того, как весь объем перлита превратился в аустенит, концентрация углерода в различных областях кристаллов аустенита неодинако­ва (в местах его контакта с цементитом концентрация углерода выше). Поэтому для выравнивания состава аустенита нужно дополнительное время при данной тем­пературе. При повышении температуры скорость вырав­нивания состава возрастает, и длительность гомогениза­ции сплава сокращается.

Так как в каждой перлитной колонии при нагреве по­является сразу несколько кристаллических зародышей аустенита (рис. 69), то при превращении П ® А зерно в стали измельчается. Эти особенность превращения ис­пользуют на практике термической обработки стали. Причем с повышением температуры изотермической вы­держки степень измельчения зерен возрастает. Однако при этом возникают трудности сохранения мелкого зер­на и поэтому обычно устанавливают «перегрев» над точ­кой А₃ в 30…50 °С.

Описанный выше процесс П ® А приводит к однофаз­ной аустенитной структуре лишь в стали эвтектоидного состава. В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях пос­ле превращения П ® А еще остаются избыточные фазы (феррит в доэвтектоидных и цементит в заэвтектоидных). Для их превращения в аустенит доэвтектоидные стали необходимо нагреть до температуры выше А_сз, а заэвтектоидные - А_см.

Нагрев выше критических темпера­тур приводит к росту зерна. Скорость роста аустенитного зерна различна у разных сталей и даже у одной ста­ли, изготовленной по различным технологиям.

Рис. 69. Схема образования зародышей аустенита в перлите при нагреве

Наиболее интенсивно растет зерно в эвтектоидных сталях, поэтому их перегрев выше А₁ нежелателен.

По склонности к росту зерна различают два вида сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые. К наследственно крупнозернистым от­носятся стали кипящие, раскисленные ферросилицием и ферромарганцем. Стали, раскисленные алюминием, цирконием, титаном, ванадием, относятся к наследствен­но мелкозернистым. Но термины «наследственно круп­нозернистые» или «наследственно мелкозернистые» не означают, что крупное или мелкое зерно сохраняется при нагреве до любой температуры. Поэтому, значительный перегрев сталей до температур выше А_с1, А_с3 или А_см нежелателен. Если в сталях в результате нагрева до очень высоких температур образовалось крупное зерно, неблагоприятно влияющее на свойства, то его исправля­ют повторной аустенизацией с меньшим перегревом от­носительно А₃.

Дата добавления: 2014-01-05