Фазовые превращения в стали при нагреве и охлаждении.

Нагрев стали сопровождается образованием аустенита, а основное превращение – это превращение перлита в аустенит, так как в структуре всех сталей в исходном состоянии присутствует перлит. Превращение идет по реакции Ф+Ц → А.(рис. 25)

В доэвтектоидных сталях после исчезновения перлита при нагреве от температуры Ас3 до Ас1 избыточный феррит превращается в аустенит. В заэвтектоидных сталях в этом интервале температур избыточный цементит растворяется в аустените. Выше температур Ас3 идут только процессы гомогенизации и роста зерна аустенита. Рост зерна – самопроизвольно протекающий процесс, так как при этом уменьшается суммарная поверхность зерен (уменьшается поверхностная энергия). От размера зерна аустенита зависят механические свойства стали, особенно понижается ударная вязкость и пластичность.

Рис.25. Схема зарождения и роста аустенита при нагреве выше Ас3

При охлаждении аустенит не сохраняется, а претерпевает превращения. При этом в зависимости от скорости охлаждения могут протекать два превращения: аустенита в феррито-карбидную смесь (ФКС) или аустенита в мартенсит (рис. 26 ). Чем больше скорость охлаждения, тем дисперснее структура ФКС. Если при охлаждении подавляется диффузионная подвижность атомов, то происходит мартенситное превращение. Такое влияние скорости охлаждении связано с тем, что с увеличением скорости охлаждения аустенит может переохлаждаться до более низких температур. Чем больше скорость переохлаждения, тем больше степень переохлаждения, меньше диффузионная подвижность атомов железа и углерода и ниже действительная температура превращения аустенита. Таким образом, важнейшим фактором, влияющим на механизм и кинетику превращения аустенита при непрерывном охлаждении, а также на строение и свойства получающихся продуктов превращения, является степень переохлаждения аустенита.

Рис. 26. Фазовые превращения в аустените при охлаждении

Аналогичная зависимость характерна при изотермическом охлаждении. Каждой действительной температуре изотермической выдержки соответствует определенное время начала и конца превращения. Диаграммы изотермического превращения аустенита для всех сталей приведены в справочниках и с их помощью можно прогнозировать структуру и твердость после конкретного режима охлаждения.

а)

б)

Рис. 27. Изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали (а): I -перлитное превращение (П-перлит, С-сорбит, Т-тростит); II –промежуточное превращение (Б-бейнит); III –мартенситное превращение (М-мартенсит); схема роста перлитных колоний (б).

ФКС в зависимости от температуры нагрева и времени изотермической выдержки имеет следующую структуру:

Перлит (межпластинчатое расстояние 0,5-0,7 мкм);

Сорбит (межпластинчатое расстояние 0,3-0,4 мкм);

Тростит (межпластинчатое расстояние 0,1-0,2 мкм).

Мартенсит имеет пластинчатую или реечную форму. Промежуточным продуктом может быть бейнит – смесь феррита и дисперсных карбидов, которые можно различить только в электронном микроскопе.

Влияние технологических факторов при сварке на формирование структуры и свойства сварного соединения.

1) Влияние максимальной температуры нагрева (t_max).

Для сварных соединений термоупрочненных сталей характерны две области структурно-механической неоднородности в ЗТВ. Первая область – околошовный участок с пониженным сопротивлением хрупкому разрушению. Это интервал температуры плавления (tпл) до 1350С. Вторая область – это интервал Ас3 - Ас1.(Межкритический интервал МКИ)

Анализ структурных диаграмм стали показали, что при одинаковой интенсивности нагрева и охлаждения характерна разная степень структурной неоднородности. Это зависит от содержания избыточных фаз при этих температурах. При этом скорость охлаждения в околошовном участке и зоне ЗТВ, которая находится в МКИ, будет разная. Оценка влияния максимальной температуры нагрева при сварке в разных зонах ЗТВ проводится путем анализа изотермических диаграмм состояния и экспериментальным путем.

При анализе влияния t_max и МКИ следует учитывать кинетику образования аустенита при нагреве и степень его неоднородности по содержанию углерода и легирующих элементов.

2)Влияние длительности пребывания выше критической температуры Ас3.

За счет изменения выдержки при охлаждении и скорости охлаждения после сварки можно регулировать фазовый состав и морфологию околошовного участка ЗТВ сварного соединения.

Скорость нагрева 6С/сек при ЭШС приводит к растворению карбидов и карбонитридов. При увеличении скорости нагрева до 150С/сек (АДС) температура растворения повышается. Например, для стали системы Mn-V-B при ЭШС температура составляет 870-900С, а при АДС 900-1050С. Поэтому при ЭШС в результате исчезновения барьерного действия карбидных включений, происходит активный рост зерен аустенита. В околошовном участке ЗТВ после ЭШС размер зерна достигает 300 мкм, а после АДС – всего 10-20 мкм.

Скорость охлаждения соответственно будет влиять на фазовый состав околошовной зоны, при АДС возможно образование мартенсита или тростита или бейнита. Это может привести (в зависимости от состава стали) к появлению внутренних напряжений, неоднородности состава ЗТВ и даже к охрупчиванию сварного соединения.

При этом следует отметить, что при увеличении длительности пребывания металла выше критической температуры Ас3 уменьшается плотность дефектов кристаллического строения, характеризуется меньшей удельной плотностью границ зерен аустенита, повышением степени его однородности по углероду и легирующим элементам.

Дата добавления: 2014-01-07