ГЛАВА X. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ ЖЕЛЕЗА (ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ)

1. ПРЕВРАЩЕНИЕ ФЕРРИТНО-КАРБИДНОЙ СТРУКТУРЫ В АУСТЕНИТ ПРИ НАГРЕВЕ

При многих видах термической обработки сталь нагревают до температур, соответствующих существованию аустенита (процесс аустенитизации). Образование аустенита при нагреве является диффузионным процессом и подчиняется основным положениям теории кристаллизации.

Общее представление о превращениях, которые протекают в стали при нагреве, можно получить из диаграммы состояния (см. рис. 83). При нагреве эвтектоидной стали (0,8 % С) несколько выше критической точки перлит (ферритно-карбидная структура) превращается в аустенит:

Превращение состоит из двух одновременно протекающих процессов: полиморфного -перехода и растворения в аустените цементита.

При нагреве доэвтектоидной стали выше температуры критической точки после превращения перлита в аустенит образуется двухфазная структура — аустенит и феррит. При дальнейшем нагреве в интервале температур феррит постепенно превращается в аустенит: содержание углерода в аустените при этом уменьшается в соответствии с линией (см. рис. 83). При температуре феррит исчезает, а концентрация углерода в аустените соответствует содержанию его в стали. Аналогично протекает превращение и в заэвтектоидной стали. При температуре несколько выше критической точки

Рис. 104. Диаграмма изотермического образования аустенита для стали с 0,8 % С с исходной структурой пластинчатый перлит (а) и схемы превращения ферритно-карбидной структуры (перлита) в аустенит начало превращения перлита в аустенит; 2 — конец превращения перлита в аустенит

перлит превращается в аустенит. В интервале температур происходит растворение избыточного цементита.

Выше температуры будет только аустенит, содержание углерода в котором соответствует его содержанию в стали.

Механизм процесса превращения перлита в аустенит состоит в зарождении зерен аустенита и их роста. Аустенит при температуре несколько выше содержит 0,8 % С. Как же образуется такой аустенит?

Первоначальные зародыши аустенита при нагреве несколько выше критической точки образуются сдвиговым путем при сохранении когерентных границ (см. рис. 33). В результате этого превращения образуется низкоуглеродистый аустенит пластинчатой формы. В образовавшемся по сдвиговому механизму низкоуглероднстом аустените растворяется и содержание углерода в аустените приближается к равновесному.

При росте зародыша когерентность а- и у-решеток нарушается, сдвиговый механизм заменяется нормальным механизмом роста и зерна аустенита приобретают равноосную форму.

Зародыш аустенита возникает на межфазовой границе раздела феррита и цементита (рис. 104, а, I, II).

Образовавшиеся зародыши аустенита растут благодаря интенсивной диффузии атомов углерода в аустените, что приводит к растворению цементита в аустените и превращению а ; одновременно зарождаются новые зерна аустенита.

Рост участков аустенита в результате полиморфного превращения а протекает быстрее, чем растворение цементита, поэтому после превращения феррита в аустенит в структуре стали сохраняется еще некоторое количество цементита (рис. 104, а, III)

и для его растворения в аустените продолжительность изотермической выдержки должна быть увеличена. Образовавшийся аустенит (рис. 104, а, IV) неоднороден по содержанию углерода. В участках, прилегающих к частицам цементита, концентрация углерода в аустените выше, чем в участках, прилегающих к ферриту. Для его гомогенизации требуется дополнительное время.

Для описания процесса перехода ферритно-цементитной структуры в аустенитную часто пользуются диаграммами изотермического образования аустенита, дающими представление о протекании превращения при различных температурах. Для построения диаграммы небольшие образцы из исследуемой стали, например эвтектоидной (0,8 % С), быстро нагревают до заданной температуры, лежащей выше точки и выдерживают при этой температуре. В процессе изотермической выдержки фиксируют начало и конец отдельных стадий превращения перлита в аустенит. Если полученные экспериментальные точки нанести на график в координатах температура — время и соединить их плавными кривыми, то получится диаграмма, подобная схематически показанной на рис.

Как следует из диаграммы изотермического образования аустенита, процесс превращения перлита в аустенит резко ускоряется при повышении температуры. Время, необходимое для образования аустенита при температурах, близких к составляет. минуты, тогда как при 800-850 °С превращение происходит в течение 5—10 с (рис. 104, б). Возрастает не только скорость роста аустенитных участков, но и вероятность зарождения аустенита. Это объясняется, с одной стороны, ускорением диффузионных процессов, а с другой — увеличением градиента концентрации в аустените.

Скорость превращения ферритно-цементитной структуры в аустенитную помимо температуры нагрева зависит от ее исходного состояния. Чем тоньше ферритно-цементитная структура, тем больше возникает зародышей аустенита и меньше пути диффузии, а следовательно, быстрее протекает процесс аустенитизации. Предварительная сфероидизация цементита, особенно с образованием крупных его глобулей, замедляет процесс образования аустенита.

Чем больше в стали углерода, тем быстрее протекает процесс аустенитизации, что объясняется увеличением количества цементита, а следовательно, и ростом суммарной поверхности раздела феррита и цементита.

Введение в сталь хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и других карбидообразующих элементов задерживает процесс аустенитизации вследствие образования легированного цементита или

Hис. 105. Диаграмма образования аустенита при непрерывном нагреве с различными скоростями стали с 0,8% С: интервалы температур превращения перлита (ферритно-аустенитной структуры) в аустенит при скоростях нагрева

карбидов легирующих элементов, более трудно растворимых в аустените.

Процесс гомогенизации аустенита по содержанию легирующих элементов требует большего времени, так как диффузионная подвижность легирующих элементов в решетке у-фазы значительно меньше, чем диффузионная подвижность углерода.

При непрерывном нагреве превращение перлита в аустенит протекает в некотором интервале температур. На рис. 105 приведена так называемая термокинетическая диаграмма, которая дает представление о температурах превращения перлита в аустенит при различных скоростях нагрева

Чем выше скорость нагрева, тем при более высокой температуре происходит превращение ферритно-цементитной структуры (перлита) в аустенитную (рис. 105). Интервалы температур в которых протекает превращение перлита в аустенит (рис. 105) тем больше, чем выше скорость нагрева. Поэтому при скоростном нагреве, например, токами высокой частоты, температура нагрева для аустенитизации стали должна быть выше, чем при сравнительно медленном печном нагреве.