Превращения аустенита при охлаждении. Термокинетическая диаграмма

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше линии GS (для доэвтектоидной стали) или выше линии SE (для заэвтектоидной стали), переохладить до температуры ниже линии PSK (в дальнейшем будем обозначать ее А ₁), то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращения, характер которых зависит от скорости охлаждения.

Для описания кинетики превращений переохлажденного аустенита пользуются экспериментально построенными в координатах время – температура термокинетическими диаграммами.

Рассмотрим простейшую термокинетическую диаграмму, характерную для эвтектоидной углеродистой стали, схематически изображенную на рис. 33.1. На этой диаграмме выше А ₁ (727 ^оС) находится область стабильного существования аустенита. Ниже этой области расположены две С-образные кривые; левая из которых обозначает начало, а правая – окончание распада аустенита.

Рис. 33.1. Термокинетическая диаграмма

Область, лежащая левее кривой начала распада аустенита, определяет продолжительность инкубационного периода. В интервале температур и времени, соответствующих этой области, существует переохлажденный аустенит, практически не претерпевающий заметного распада[38]. Длительность инкубационного периода характеризует устойчивость переохлажденного аустенита. С увеличением переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума при температуре около 500 ^оС, и далее вновь возрастает – см. рис. 33.1. Повышение устойчивости аустенита и уменьшение скорости его превращения при больших степенях переохлаждения вызывается снижением скорости образования и роста новых фаз вследствие замедления процесса диффузии.

Ниже С-образных кривых расположены линии начала М _н и окончания М _к мартенситного превращения.

Все легирующие элементы повышают устойчивость переохлажденного аустенита, что проявляется в снижении температур начала М _н и окончания М _к мартенситного превращения (за исключением Al и Co), а также в сдвиге С-образных кривых вправо (за исключением Co), последнее приводит к соответствующему замедлению скоростей всех превращений.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области, превращения (см. рис. 33.1): перлитную, бейнитную (промежуточную) и мартенситную.

1. Перлитное превращение переохлажденного аустенита протекает при температурах А ₁…500 °С. Аустенит, практически однородный по концентрации углерода, распадается с образованием феррита (почти чистое железо) и цементита, содержащего 6,67 % С, т. е. состоит из фаз, имеющих различную концентрацию углерода. В процессе превращения происходит полиморфное γ→α-превращение и диффузионное перераспределение углерода в аустените, что приводит к образованию ферритно-цементитной структуры (А→Ф+Fe₃C) трех видов. Все продукты перлитного превращения имеют пластинчатое строение и в зависимости от степени дисперсности (крупности) их называют перлит, сорбит [39] и троостит [40] или соответственно грубо-, средне- и тонкодифференцированный перлит. Чем больше скорость охлаждения (V _п <V _с <V _тр), тем тоньше получается ферритно-цементитная структура и выше ее твердость:

Структура Перлит Сорбит Троостит

НВ 180–250 250–350 350–450

2. Мартенситное превращение происходит при быстрым охлаждении (закалке) со скоростью выше критической V _з> V _кр. По достижении температуры М _н происходит бездиффузионное превращение аустенита, выражающееся в полиморфном изменении кристаллической решетки γ→α без выделения из нее углерода.

Рис.33.2. Кристаллическая (тетрагональная) решетка мартенсита

Мартенситом [41] называется пересыщенный упорядоченный твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в α-железе не превышает 0,02%, то его содержание в мартенсите будет таким же, как в исходном аустените, т.е. может достигать 2,14%. Атомы углерода оказываются насильственно внедренными в кристаллическую решетку α-железа в таком же количестве, которое было в исходном аустените. При этом ОЦК решетка искажается и принимает тетрагональную форму, при которой одно ребро элементарной ячейки с больше другого а (см. рис 33.2). С увеличением содержания углерода тетрагональность с/а возрастает.

Рис.33.3. Зависимость твердости закаленной стали от содержания в ней углерода

Плотность дислокаций в мартенсите достигает 10¹² см^–2. Искажения кристаллической решетки, вызванный ими внутренний наклеп и измельчение субзерен определяют высокую твердость мартенсита (при содержании углерода 0,6…0,7% его твердость равна 60…65 HRC). Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода – рис. 33.3. К тому же при образовании мартенсита происходит увеличение объема элементарных ячеек, что также увеличивает внутренние напряжения.

Как видно из рис. 33.1 мартенситное превращение завершается только при отрицательных температурах, поэтому при охлаждении стали до комнатных температур во время закалки в ее структуре наряду с мартенситом обнаруживают и остаточный аустенит (в высокоуглеродистых сталях до 10…50%), что снижает суммарную твердость. Для завершения мартенситного превращения высокоуглеродистые стали иногда подвергают «обработке холодом», что повышает их твердость на 1…3 единицы HRC.

Легирующие элементы, повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки. Например, при введении 1 % Сr в сталь с 1 % С критическая скорость закалки уменьшается в 2 раза, а при введении 0,4 % Мо критическая скорость закалки снижается с 200 до 50 °С/с. Для многих легированных сталей критическая скорость закалки снижается до 20 °С/с и ниже. Например, быстрорежущие (высоколегированные) стали приобретают структуру мартенсита (т. е. закаливаются) при охлаждении на воздухе.

Общим в перлитном и мартенситном превращениях аустенита является наличие и в том и другом случаях полиморфного превращения γ→α. Отличие состоит в том, что диффузия углерода происходит только при перлитном превращении; при мартенситном превращении диффузия практически отсутствует.

3. Бейнитное (промежуточное) превращение протекает в температурной области между перлитным и мартенситным превращениями (см. рис. 33.1). В результате этого превращения образуется бейнит[42], представляющий собой структуру, состоящую из α-твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение и несколько пересыщенного углеродом, и продуктов распада – частиц карбидов. Различают структуру верхнего и нижнего бейнита. Верхний бейнит, образующийся обычно в области температур 500…350 °С, имеет «перистый» вид (типа резаной соломы). Нижний бейнит образуется обычно при температурах от 350 °С до M _н и имеет игольчатое (пластинчатое) строение. Бейнит получают с помощью так называемого изотермического охлаждения с переменной скоростью V _из (рис. 33.1), т. к. исходя из особенностей С-образных кривых он не может быть получен при постоянной скорости охлаждения.

Знание этих трех превращений важно для решения многих практических задач. Перлитное превращение протекает в процессе отжига стали, а мартенситное – при закалке стали. Бейнитное превращение важно для понимания процесса изотермической закалки стали.

Дата добавления: 2014-01-07