Превращения аустенита при различных степенях переохлаждения.

Выше рассматривались фазовые превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении из аустенитного состояния (см. п. 3.3).

Увеличивая скорость охлаждения стали или вводя в сталь легирующие элементы, можно значительно повысить степень переохлаждения аустенита, т. е. понизить температуру его превращения.

От степени переохлаждения аустенита зависят механизм и кинетика превращения и, соответственно, структура и свойства продуктов превращения.

В технологических процессах термической обработки распад аустенита происходит в условиях непрерывного охлаждения и иногда изотермически (при постоянной температуре).

Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяют на типа.

1. Диффузионные-перлитное и промежуточное (бейнитное).

2. Бездиффузионное-мартенситное.

Кинетику диффузионных превращений удобнее изучать в изотермических условиях.

Перлитное превращение аустенита. Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость превращения представляют графически в виде диаграмм. Эти диаграммы строят в координатах температура превращения-время; обычно время откладывают на логарифмической шкале (рис. 5.8).

Диаграммы строят на основе экспериментальных данных. Образцы сталей, нагретые до аустенитного состояния, быстро переносят в ванну с жидкой средой, имеющей температуру ниже

Рис. 5.8. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали (схема): I — перлитное превращение; II — промежуточное превращение; III — мартенситное превращение; П — перлит; С — сорбит; Т — троостит; Б — бейнит

Рис. 5.9. Кинетические кривые изотермического распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали: а — перлитное превращение; б - промежуточное превращение

равновесной температуры превращения, и выдерживают до завершения превращения. При этом фиксируют изменение какого-либо свойства, чтобы определить время начала и конца превращения. При температурах, меньших точки Кюри, следят за изменением магнитных свойств стали, так как они наиболее резко изменяются: аустенит парамагнитен, а продукты превращения аустенита ферромагнитны.

Основные закономерности перлитного превращения рассмотрим на примере эвтектоидной стали. Изотермический распад аустенита эвтектоидной стали происходит в интервале температур от до (250 °С), где - температура начала мартенситного превращения. Мартенситное превращение в эвтектоидной стали при постоянной температуре ниже точки Мн не происходит.

На диаграмме (см. рис. 5.8) нанесены две линии, имеющие форму буквы -образные кривые. Линия I указывает время начала превращения, линия 2 - время конца превращения переохлажденного аустенита. В области диаграммы, расположенной левее линии 1, существует переохлажденный аустенит; между линиями 1 и 2 находится область, в которой происходит превращение; правее линии 2 находится область, в которой существуют продукты превращения аустенита. Устойчивость аустенита зависит от степени переохлаждения. Наименьшей устойчивостью аустенит обладает при температурах, близких к 550 °С. Для эвтектоидной стали время устойчивости аустенита при температуре 550-560 °С составляет около 1 с. При повышении или понижении температуры относительно устойчивость аустенита возрастает. Так, время устойчивости аустенита при составляет около 10 с, а при около 60 с.

Превращение аустенита при температурах в интервале называют перлитным, а превращение при температурах в интервале — промежуточным.

В интервале температур перлитного превращения в результате распада аустенита образуются пластинчатые структуры перлитного типа, т. е. структуры, образованные из кристаллов феррита и цементита. Перлитное превращение (рис. 5.9, а) вначале протекает медленно, затем скорость его увеличивается до постоянной величины; в конце превращения скорость постепенно убывает.

Строение перлитной структуры зависит от температуры превращения. С увеличением степени переохлаждения, в соответствии с общими законами кристаллизации (см. гл. 2), уменьшается размер образующихся кристаллов, т. е. возрастает дисперсность ферритно-цементитной смеси.

Дисперсность перлитных структур принято оценивать межпластиночным расстоянием, за которое принимают среднюю суммарную толщину соседних пластинок феррита и цементита (рис. 5.10).

Если превращение происходит при

Рис. 5.10. Схема роста перлитных колоний

температурах более высоких, чем 650-670 °С, образуется сравнительно грубая смесь кристаллов феррита и цементита с межпластиночным расстоянием такую смесь называют собственно перлитом Превращение при температуре 640 — 590 °С дает межпластиночное расстояние такую перлитную структуру называют сорбитом При температуре превращения 580-550 °С межпластиночное расстояние уменьшается до такую структуру называют трооститом (7). Указанное деление перлитных структур условно, так как дисперсность смесей монотонно увеличивается с понижением температуры превращения.

Центры кристаллизации перлитных колоний возникают преимущественно на границах зерен аустенита; при этом перлитные колонии растут во все стороны (см. рис. 5.10).

При перлитном превращении полиморфный переход сопровождается перераспределением углерода. Для образования цементита, содержащего 6,69% С, необходимо перемещение атомов углерода на расстояния, значительно большие межатомных расстояний, так как среднее содержание углерода в твердом растворе до превращения гораздо меньше, чем в цементите.

Несмотря на то, что подвижность атомов железа и углерода с понижением температуры от точки уменьшается, скорость перлитного превращения возрастает вплоть до температуры 550 °С. Это объясняется тем, что с увеличением степени переохлаждения быстро увеличивается число центров кристаллизации и, соответственно, уменьшаются расстояния, на которые должны переместиться атомы в процессе превращения.

С увеличением дисперсности структур перлитного типа возрастают прочность и твердость стали; лучшую пластичность и вязкость имеет структура сорбита.

Мартенситное превращение аустенита. На схеме диаграммы изотермического превращения (см. рис. 5.8) условно показана область мартенситного превращения (ниже ). Условно потому, что не только в эвтектоидной, но и в подавляющем большинстве сталей мартенситное превращение в изотермических условиях не развивается.

Мартенситное превращение интенсивно протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур от Мн до (рис. 5.11). Малейшая изотермическая выдержка в этом интервале температур приводит к стабилизации аустенита, т. е. преврашение не доходит до

Рис. 5.11. Кинетическая кривая мартенситного превращения при непрерывном охлаждении

конца, и кроме мартенсита в структуре наблюдается так называемый остаточный аустенит. Аустенит может оставаться в структуре также тогда, когда в углеродистой стали содержится больше 0,6% С и охлаждение ведут только до 0 °С (рис. 5.12). На рисунке линии начала и конца мартенситного превращения условно нанесены на «стальной участок» диаграммы железо-цементит, а штриховая линия представляет собой геометрическое место точек температур термодинамического равновесия двух фаз аустенита и мартенсита для сталей с различным содержанием углерода (рис. 5.13).

Рис. 5.12. Зависимость температуры термодинамического равновесия аустенита и мартенсита и температур от содержания углерода в стали

Для получения мартенситной структуры аустенит углеродистых сталей необходимо очень быстро и непрерывно охлаждать, применяя для этого холодную (лучше соленую) воду. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы подавить возможные диффузионные процессы и образование перлитных и бейнитных структур.

Экспериментально построенные для всех сталей термокинетические диаграммы позволяют определить минимальную скорость охлаждения, называемую критической скоростью закалки — при которой аустенит превращается только в мартенсит при температуре Мн и ниже (рис. 5.14).

Рис. 5.13. Зависимость свободных энергий аустенита и мартенсита от температуры

Термокинетические диаграммы имеют огромное значение для технологии термической обработки; они принципиально отличаются от диаграмм изотермического превращения аустенита тем, что строятся при условии непрерывного охлаждения образцов соответствующих сталей. Термокинетическая диаграмма - важная

Рис. 5.14. Термокинетическая диаграмма для стали 45: По — поверхность; Це — центр

Рис. 5.15. Микроструктура мартенсита стали 45 после закалки от оптимальной температуры

характеристика, позволяющая предсказывать вид фазового превращения и возможную структуру стали в зависимости от скорости ее охлаждения.

Итак, при охлаждении стали со скоростью, большей будет образовываться мартенсит - неравновесная фаза-пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в (рис. 5.15). Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали Росту кристаллов мартенсита препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита (рис. 5.16).

Рис. 5.16. Схема образования мартенситных пластин в одном аустенитном зерне

Акад. Г. В. Курдюмов дал классическое определение мартенситному превращению «Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные». При этом перестройка решетки происходит по тем кристаллографическим плоскостям исходной модификации, которые по строению одинаковы, а по параметрам близки к определенным плоскостям кристаллической решетки образующей фазы, т. е. выполняется принцип структурного и размерного соответствия (рис. 5.17). Для мартенситного превращения характерно, что растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы. Два кристалла считаются когерентными, если они соприкасаются по такой поверхности раздела, которая является общей для их кристаллических решеток. При нарушении когерентности решеток интенсивный упорядоченный переход атомов из аустенита в мартенсит становится невозможным, и рост кристалла мартенсита прекращается.

В процессе мартенситного - -превращения углерод остается

Рис. 5.17. Совмещение кристаллографических плоскостей — атом в плоскости (111) ; 2 — атом в плоскости

Рис. 5.18. Тетрагональная ячейка пространственной решетки мартенсита

в твердом растворе, искажая кристаллическую решетку так как растворимость его в значительно меньше, чем в Мартенсит имеет тетрагональную пространственную решетку (рис. 5.18). На рисунке крестиками показаны возможные места расположения атома углерода. Чем больше углерода было в аустените, тем большее число элементарных ячеек мартенсита будет содержать атом углерода и тем большими окажутся средние искажения пространственной решетки.

Свойства мартенсита сталей зависят от количества растворенного в нем углерода. На рис. 5.19 показано влияние углерода на твердость мартенсита. По аналогичной кривой изменяется и временное сопротивление сталей. Мартенсит имеет очень высокую твердость, равную или превышающую при содержании углерода, большем 0,4%. С увеличением содержания углерода возрастает хрупкость мартенсита. Мартенситное превращение в сталях сопровождается заметным увеличением объема (рис. 5.19, б). Весьма сильно изменяются и другие физические свойства стали.

Небольшое количество остаточного аустенита (1-3%) после мартенситного превращения сохраняется в сталях, температура которых выше Затрудненность распада последних порций аустенита связывают с появлением значительных сжимающих напряжений, возникающих вследствие увеличения объема при переходе ГЦК решетки в ОЦК решетку.

На температуры Мн и помимо содержания углерода, существенно влияют растворенные в аустените легирующие элементы. Подавляющее большинство легирующих элементов понижают температуры Мн и поэтому в закаленных легированных сталях даже при небольшом содержании углерода после охлаждения до температуры может сохраниться значительное количество остаточного аустенита.

Промежуточное (бейншпное) превращение аустенита. В интервале температур промежуточного превращения аустенит распадается с образованием структур, называемых бейнитом Бейнит представляет собой двухфазную смесь кристаллов феррита и цементита. Основная особенность промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму.

Предполагают, что превращение в данном участке объема начинается с перераспределения углерода, в результате которого одни зоны зерен аустенита обедняются, а другие обогащаются углеродом. С уменьшением количества растворенного углерода повышается температура мартенситного превращения, поэтому мартенситное превращение происходит в первую очередь в обедненных углеродом зонах у-твердого раствора. В зонах твердого раствора, обогащенных углеродом, происходит карбидообразование - выделение очень мелких (в виде коротких палочек) кристаллов цементита, по мере

Рис. 5.19. Изменение твердости (а) и удельного объема (б) мартенсита сталей с различным содержанием углерода

обеднения аустенита углеродом развивается мартенситное превращение; у-твердый раствор к моменту полиморфного превращения не полностью освобождается от растворенного углерода, поэтому кристаллы имеющие форму очень тонких пластин, несколько пересыщены углеродом.

Бейнит, образовавшийся при температуре 400-550°С, называют верхним; он имеет перистое строение. Бейнит, образовавшийся при более низких температурах, называют нижним; он имеет пластинчатое строение.

Скорость промежуточного превращения обычно изменяется так же, как скорость перлитного превращения (см. рис. 5.9, а). В некоторых легированных сталях кинетика превращения иная (см. рис. 5.9, б): по окончании инкубационного периода распад аустенита начинается с максимальной скоростью, а затем его скорость убывает. Характерно, что промежуточное превращение не доходит до конца, часть аустенита остается непревращенной. Степень превращения убывает с повышением температуры. Непревращенный аустенит при охлаждении либо сохраняется, либо превращается в мартенсит, что зависит от состава стали.

Верхний бейнит имеет неблагоприятное сочетание механических свойств: пониженная прочность из-за сохранения нераспавшегося аустенита сочетается с весьма невысокими пластичностью и вязкостью. Высокой прочностью и одновременно достаточно высокими пластичностью и вязкостью обладает нижний бейнит, а именно бейнит, полученный при температуре на 50-100°С выше мартенситной точки .