2. РОСТ ЗЕРНА АУСТЕНИТА ПРИ НАГРЕВЕ

Как указывалось выше, зародыши аустенита при нагреве выше температуры образуются на границах раздела феррит — карбид. При таком нагреве число зародышей всегда Достаточно велико и начальное зерно аустенита мелкое. Чем выше скорость нагрева, тем меньше зерно аустенита, так как скорость образования зародышей выше, чем скорость их роста.

При дальнейшем повышении температуры (рис. 106) или увеличении длительности выдержки при данной температуре происходит собирательная рекристаллизация и зерно увеличивается. Рост зерна аустенита происходит самопроизвольно и вызывается стремлением системы к уменьшению свободной энергии вследствие сокращения поверхности зерен. Зерно растет в результате Увеличения одних зерен за счет других, более мелких, а следовательно, термодинамически менее устойчивых. Размер зерна,

Рис. 106. Рост зерен аустенита низкоуглеродистой стали при нагреве,

образовавшегося при нагреве до данной температуры, естественно, не изменяется при последующем охлаждении.

Способность зерна аустенита к росту неодинакова даже у сталей одного марочного состава вследствие влияния условий их выплавки.

По склонности к росту зерна различают два предельных типа сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые.

В наследственно мелкозернистой стали при нагреве до высоких температур (1000-1050 °С) зерно увеличивается незначительно, однако при более высоком нагреве наступает бурный рост зерна. В наследственно крупнозернистой стали, наоборот, сильный рост зерна наблюдается даже при незначительном перегреве выше (рис. 107). Различная склонность к росту зерна определяется условиями раскисления стали и ее составом.

Стали, раскисленные алюминием, наследственно мелкозернистые, так как в них образуются дисперсные частицы тормозящие рост зерна аустенита, оказывая барьерное действие на мигрирующую границу зерен. Растворение этих частиц влечет за собой быстрый рост зерна.

В двухфазных областях, например, в заэвтектоидных сталях, в интервале температур (см. рис. 83) рост зерна аустенита сдерживается нерастворившимися карбидными частицами. Такое же сдерживающее влияние на рост зерна в доэвтектоидных сталях в интервале температур (см. рис. 83) оказывают участки феррита.

Легирующие элементы, особенно карбидообразующие (нитридообразующие) задерживают рост зерна аустенита. Наиболее сильно действуют и образующие трудно

Рис. 107. Влияние температуры нагрева на величину зерна аустенита наследственно крупнозернистой (1) и мелкозернистой (2) эвтектоидной стали: а — исходное верно бывшего аустенита; начальное зерно аустенита; в и наследственное зерно, полученное в стандартных условиях технологической пробы

растворимые в аустените карбиды (нитриды), которые служат барьером для роста зерна. Чем больше объемная доля карбидов (нитридов) и выше их дисперсность (меньше размер), тем мельче зерно аустенита. Одновременно нерастворимые карбиды (нитриды) оказывают зародышевое влияние на образование новых зерен аустенита, что также приводит к получению более мелкого зерна. Марганец и фосфор способствуют росту зерна аустенита.

Следует отметить, что термины «наследственно крупнозернистая сталь» и «наследственно мелкозернистая сталь» не обозначают того, что данная сталь имеет всегда крупное или всегда мелкое зерно. Наследственное зерно, полученное в стандартных условиях технологической пробы, указывает лишь на то, что при нагреве до определенных температур крупнозернистая сталь приобретает крупное зерно при более низкой температуре, чем сталь мелкозернистая (см. рис. 107).

Поэтому введено понятие о действительном зерне, т. е. зерне, существующем в стали при данной температуре.

Размер действительного зерна аустенита обусловлен температурой нагрева, продолжительностью выдержки при ней и Склонностью данной стали к росту зерна при нагреве.

Продолжительный нагрев доэвтектоидной (заэвтектоидной) стали при температурах, значительно превышающих или приводит к образованию крупного действительного зерна как непосредственно при этой температуре, так и после охлаждения до Такой нагрев принято называть перегревом стали. В перегретой стали нередко наблюдается видманштеттова структура (рис. 108). Перегретая сталь характеризуется хрупким изломом.

Влияние величины зерна на свойства стали. Как упомянуто ранее (см. рис. 80), чем мельче зерно, тем выше прочность пластичность и вязкость ниже порог хладноломкости и меньше склонность к хрупкому разрушению. Уменьшая размер зерна аустенита, можно компенсировать отрицательное влияние других механизмов упрочнения на порог хладноломкости.

Аномально ведет себя трещиностойкость При укрупнении зерна аустенита до 10—15 мкм трещиностойкость уменьшается (рис. 109), а при дальнейшем росте зерна возрастает. Вероятно,

Рис. 108. Микроструктура перегретой доэвтектоидной стали,

Рис. 109. Влияние величины зерна аустенита на ударную вязкость и вязкость разрушения сталей после закалки и низкого отпуска (по данным О. Н. Романцова и. А. Н. Ткач)

это связано с очищением границ зерна аустенита от вредных примесей благодаря большему их растворению в объеме зерна при высокотемпературном нагреве.

Все методы, вызывающие измельчение зерна аустенита, — микролегирование (V, , высокие скорости нагрева и др. — повышают конструктивную прочность стали. Крупное зерно стремятся получить только в электротехнических (трансформаторных) сталях, чтобы улучшить их магнитные свойства (см. с. 369).

Выявление и определение величины зерна. Величина зерна определяется различными методами (ГОСТ 5639-65): цементацией, окислением по ферритной или цементитной сетке и травлением границ зерен. По методу цементации образец доэвтектоидной стали насыщают углеродом при 930 °С в течение 8 ч (см. рис. 107). При этом содержание углерода в аустените, находящемся в поверхностной зоне, достигает заэвтектоидной концентрации. При последующем медленном охлаждении по границам зерна аустенита выделяется вторичный цементит, образующий сплошную сетку, по которой после охлаждения определяют величину бывшего зерна аустенита (рис. 110, а).

При использовании других методов выявления зерна температуру нагрева принимают равной температуре закалки или на 20-30 °С выше этой температуры. Время выдержки при таком нагреве 3 ч.

В случае применения метода окисления металлографический шлиф нагревают в защитной атмосфере и после окончания выдержки в печь подают воздух. Шлиф охлаждают в воде, полируют и травят 15 %-ным раствором соляной кислоты в этиловом спирте. Границы бывших зерен аустенита выявляются на шлифе сеткой оксидов (рис. 110, б). Метод, основанный на образовании сетки феррита, применяют для доэвтектоидных сталей, а метод

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

образования сетки цементита — для заэвтектоидных. Образцы нагревают до заданной температуры и охлаждают со скоростью, обеспечивающей образование сетки феррита или цементита (рис. 1.10, в). Нередко величину зерна аустенита определяют на образцах после закалки и отпуска при 225-550 °С путем травления микрошлифа в растворе пикриновой кислоты с добавлением моющих средств «Астра», «Новость» и др. (рис. 110, г). Более перспективный метод определения величины зерна аустенита — при помощи специальных микроскопов нагревательной вакуумной камерой. В этом случае непосредственно наблюдают зерно аустенита, существующее при высоких температурах (см. рис. 106, 110, 3). Величину зерна определяют под микроскопом при увеличении в 100 раз. Зерна, видимые на шлифе, сравнивают с эталонными изображениями, приведенными на рис. 111. Величину зерна определяют баллами. Между номером зерна (баллом) и количеством зерен помещающихся на шлифа, существует следующая зависимость:

Стали с номером зерна 1—5 относят к крупнозернистым, а с номером зерна 6—15 к мелкозернистым.