5.5. Термическая обработка сталей с эвтектоидным превращением

Эвтектоидное превращение в равновесных условиях происходит в большинстве сталей, в двухфазных алюминиевых бронзах, во многих сплавах на основе титана. Принципы, лежащие в основе термической обработки для всех сплавов этой группы, одни и те же, однако компоненты сплавов вносят ряд особенностей в развитие фазовых превращений. Поэтому принято раздельно изучать превращения в сплавах с разной металлической основой.

Выделим основные фазовые превращения, влияющие на структуру и свойства сталей:

а) преврашения при нагреве до аустенитного состояния фазовая перекристаллизация; б) превращения аустенита при различных степенях переохлаждения; в) превращения при нагреве закаленных сталей.

Превращения в сталях при нагреве до аустенитного состояния.

В зависимости от условий нагрева можно получить зерно аустенита различного размера. От размера зерна аустенита в большой мере зависят свойства продуктов превращения.

Продукты преврашения мелкозернистого аустенита, как равновесные, так и метастабильные, имеют более высокие пластичность и вязкость и меньшую чувствительность к концентраторам напряжений, чем соответствующие продукты превращения крупнозернистого аустенита.

Зарождение кристаллов при распаде аустенита происходит преимущественно на границах зерен, поэтому чем мельче зерно аустенита, тем больше возникает зародышей и тем мельче будут вновь образующиеся зерна.

Рассмотрим превращения, происходящие при нагреве в сталях с исходной равновесной структурой: феррит и перлит в доэвтектоидных сталях, перлит в эвтектоидной стали, перлит с

вторичным цементитом в заэвтектоидных сталях.

При промышленных скоростях нагрева при отжиге или закалке перлит вплоть до температуры сохраняет пластинчатое строение.

При достижении температуры в сталях начинается превращение перлита в аустенит. Кристаллы аустенита зарождаются преимущественно на межфазных поверхностях раздела феррита с цементитом (рис. 5.7). Превращение состоит из двух параллельно идущих процессов: полиморфного а -перехода и растворения в кристаллов цементита. Полиморфное превращение идет с более высокой скоростью, поэтому по завершении превращения аустенит сохраняет неоднородность по углероду, для устранения которой требуется определенное время.

Поскольку в каждой перлитной колонии зарождается несколько центров кристаллизации аустенита (см. схему на рис. 5.7), превращение при температуре сопровождается измельчением зерна стали. Эта очень важная особенность фазовой перекристаллизации широко используется в практике термической обработки стали - отжиге, закалке и других видах обработки, связанных с нагревом стали до аустенитного состояния.

Число зарождающихся при температуре кристаллов аустенита возрастает с увеличением дисперсности перлита и скорости нагрева. При высоко-скоростном нагреве, например, при нагреве ТВЧ, можно получить чрезвычайно мелкие зерна аустенита.

В стали эвтектоидного состава перекристаллизация заканчивается после завершения превращения перлита в аустенит. В до- и заэвтектоидных сталях после перехода перлита в аустенит в структуре сохраняются избыточные структурные составляющие - феррит и цементит соответственно.

В доэвтектоидных сталях при нагреве от до происходит превращение избыточного феррита в аустенит, а в заэвтектоидных сталях при нагреве от до - растворение продуктов распада избыточного цементита в аустените. Оба процесса сопровождаются диффузией углерода, приводящей к выравниванию концентрации и небольшому укрупнению зерен аустенита.

Повышение температуры стали в однофазной аустенитной области приводит к дальнейшему росту зерен аустенита - происходит процесс собирательной рекристаллизации.

Скорость роста аустенитных зерен при перегреве выше температур и неодинакова у разных сталей; она в большой мере зависит от способа раскисления стали и от наличия некоторых легирующих элементов.

В зависимости от скорости роста аустенитных зерен различают стали природно-крупнозернистые и природномелкозернистые.

Природно-крупнозернистыми

Рис. 5.7. Схема зарождения и роста кристаллов при температуре

называют стали, в которых по мере превышения температуры выше или кристаллы аустенита быстро укрупняются; таковы стали, раскислявшиеся в процессе выплавки ферросилицием и ферромарганцем.

Природно-мелкозернистыми называют стали, в которых при нагреве до 1000-1100 °С кристаллы аустенита растут с малой скоростью; к таковым относятся стали, дополнительно раскислявшиеся алюминием, а также легированные стали, содержащие карбидообразующие элементы, особенно титан и ванадий. Предполагают, что тормозящее влияние на рост зерен оказывают частицы нитрида алюминия, которые, располагаясь по границам зерен, механически препятствуют собирательной рекристаллизации; при температуре, большей 1000-1100°С, нитрид алюминия распадается, и препятствия для роста исчезают.

Подобный механизм действия приписывается также карбидам титана и ванадия. Из карбидообразующих элементов лишь марганец не только не уменьшает, а даже несколько увеличивает скорость роста аустенитного зерна.

Природную зернистость сталей оценивают номерами (баллами) специально разработанной шкалы зернистости (ГОСТ 5639-82).

Стали, имеющие грубую крупнозернистую структуру вследствие высокотемпературных нагревов, называют перегретыми; перегрев исправляется повторной аустенизацией с нагревом до более низкой температуры.