Глава X. ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Изучение процессов термической обработки стали началось с открытия Д. К. Черновым критических точек в стали (1868 г.).

Положение Д. К. Чернова о том, что свойства сталей определяются структурой, а последняя зависит от температуры нагрева и скорости охлаждения, стало общепризнанным, и в течение последующих десятилетий исследователи устанавливали связь между структурой и условиями ее образования (главным образом температурой нагрева и скоростью охлаждения).

Постепенно исследователи пришли к убеждению, что характер структуры (ее строение, свойства и т.д.) определяются температурой ее образования. Чтобы уяснить процессы, происходящие при термической обработке, надо изучать кинетику превращений при разных температурах и факторы, влияющие на эту кинетику.

Эти положения стали основой разносторонних опытов, поставленных С. С. Штейнбергом. В результате систематических опытов, направленных к одной цели — исследовать кинетику превращений в стали, С. С. Штейнбергу (в 1930 — 1940 гг.) и его ученикам и последователям удалось накопить обширный экспериментальный материал, который после обобщений составил основу современных представлений о превращении в стали и современной теории термической обработки стали.

Одновременно или несколько позднее, но в том же направлении, в каком работала школа С. С. Штейнберга, начали проводить работы зарубежные исследователи. В первую очередь следует отметить работы американских ученых Мела и Бейна, а также немецких ученых Вефера, Эссера, Ганнемана, которые в многочисленных и обстоятельных исследованиях изучали кинетику превращения в различных по составу сталях.

Выяснить природу закаленной стали можно, лишь применяя рентгеновские лучи и другие методы физического анализа металлов (электронный микроскоп, внутреннее трение и др.).

Многочисленные работы Г. В. Курдюмова и его учеников, а также зарубежных металлофизиков выявили важные особенности тонкой структуры стали.

Под теорией термической обработки понимается описание процессов формирования структур (при превращениях), а также особенностей структурного состояния сплавов (неравновесные состояния).

В данной главе рассмотрена теория термической обработки стали на основе общей теории фазовых превращений переохлажденных систем, кратко описанных в гл. V, п. 10. Перед изучением данной главы рекомендуем повторить этот материал.

1. Образование аустенита

Превращение перлита в аустенит в полном соответствии с диаграммой состояния может совершиться лишь при очень медленном нагреве. При обычных условиях нагрева превращение запаздывает и получается перенагрев, т. е. превращение происходит лишь при температурах, несколько более высоких, чем указано на диаграмме

Перенагретый выше критической точки перлит с различной скоростью в зависимости от степени перенагрева превращается в аустенит.

Рис. 175. Превращения перлита в аустенит при постоянной температуре

На рис. 175 приведены данные, показывающие время превращения перлита в аустенит для стали, содержащей , при разных температурах (в зависимости от степени перенагрева). Расположение кривых показывает, что чем выше температура, тем быстрее (т. е. за меньший отрезок времени) протекает превращение.

Например, при превращение перлит аустенит завершится за 2 мин, а при 740 °С — за 8 мин.

Диаграмма, приведенная на рис. дана в координатах температура — время, поэтому на нее можно нанести кривые нагрева.

Луч соответствует нагреву стали с какой-то определенной скоростью Он пересекает линии начала и конца превращения в точках Следовательно, при непрерывном нагреве со скоростью мы зафиксируем превращение, протекающее в интервале температур от точки до точки Если нагрев был более медленным, то луч пересекает кривые превращения при более низких

температурах (точки ), и превращение произойдет тоже при более низких температурах.

Кривые начала и конца превращения, асимптотически приближаясь к горизонтали пересекут ее в бесконечности. Нагрев с бесконечно малой скоростью пересечет горизонталь в бесконечности, где сливаются кривые начала и конца превращения и где превращение перлита в аустенит произойдет в одной «точке», т. е. при постоянной температуре. Это, очевидно, и будет случай равновесного превращения — по диаграмме . Реальные превращения, в отличие от равновесных, протекают при температуре выше и не при одной температуре, а в интервале температур, лежащем тем выше, чем быстрее нагреваем сталь.

Окончание процесса превращения характеризуется образованием аустенита и исчезновением перлита. Однако этот вновь образовавшийся аустенит даже в объеме одного зерна неоднороден. В тех местах, в которых ранее были пластинки (или зерна) перлитного цементита, содержание углерода больше, чем в тех местах, где залегали пластинки феррита. Поэтому только что образовавшийся аустенит неоднороден.

Для получения однородного по составу (гомогенного) аустенита при нагреве требуется не только перейти через точку окончания перлитно-аустенитного превращения, но и перегреть сталь выше этой точки или дать выдержку для завершения диффузионных процессов внутри аустенитного зерна.

Скорость гомогенизации аустенита в значительной степени определяется исходной структурой стали — степенью дисперсности цементита и его формой. Чем мельче частицы цементита и, следовательно, больше их суммарная поверхность, тем быстрее происходят описанные превращения.