2. Рост аустенитного зерна

Начало перлито-аустенитного превращения сопровождается образованием первых зерен аустенита. Первые зерна аустенита образуются на границе между ферритом и цементитом — структурными составляющими перлита. Так как эта граница весьма разветвлена, то превращение начинается с образования множества мелких зерен. Следовательно, по окончании превращения перлита в аустенит образуется большое количество малых аустенитных зерен. Размер этих зерен характеризует так называемую величину начального зерна аустенита.

Дальнейший нагрев (или выдержка) по окончании превращения вызывает рост аустенитных зерен. Рост зерна — самопроизвольно протекающий процесс, так как при этом уменьшается суммарная поверхность зерен (уменьшается поверхностная энергия), высокая температура обеспечивает лишь достаточную его скорость.

Различают два типа сталей: наследственно мелкозернистую и наследственно крупнозернистую; первая характеризуется малой склонностью к росту зерна, вторая — повышенной склонностью.

Рис. 176. Схема изменении раамера зерна перлита в зависимости от нагрева в аустенитной области

Переход через критическую точку сопровождается резким уменьшением зерна (рис. 176). При дальнейшем нагреве зерно аустенита в мелкозернистой стали не растет до 950-1000 °С, после чего устраняются факторы, препятствующие росту, и зерно начинает быстро расти. У крупнозернистой стали ничто не препятствует росту зерна, который и начинается вскоре после перехода через критическую точку.

Под наследственной зернистостью следует подразумевать склонность аустенитного зерна к росту.

Размер зерна, полученный в стали в результате той или иной термической обработки, — это так называемое действительное зерно.

Таким образом, различают:

1) начальное зерно — размер зерна аустенита в момент окончания перлито-аустенитного превращения; 2) наследственное (природное) зерно — склонность аустенитных зерен к росту; 3) действительное зерно — размер зерна аустенита в данных конкретных условиях.

Размеры перлитных зерен зависят от размеров зерен аустенита, из которых они образовались. Чем крупнее зерна аустенита, тем, как правило, большего размера перлитные зерна, образующиеся из них (см. рис. 176). Аустенитные зерна растут только при нагреве

(при последующем охлаждении они не измельчаются), поэтому максимальная температура нагрева стали в аустенитном состоянии и ее наследственная зернистость определяют окончательный размер зерна.

На схеме, приведенной на рис. 176, размер перлитного зерна показан равным исходному аустенитному. Это не совсем точно. Перлит зарождается на границах аустенитных зерен, поэтому чем мельче зерна аустенита, тем мельче образующиеся перлитные зерна. Из этого, однако, не следует, что из одного аустенитного зерна обязательно получится одно перлитное зерно. Как правило из одного аустенитного зерна образуются несколько перлитных.

Рис. 177. Сохранение наследственной зернистости в закаленной стали. X 150: а - крупное зерно аустенита, выращенное высокотемпературным нагревом (до 1300 °С): б — крупное зерно аустенита после вторичного нагрева (до 900 °С). Нагрев выше критической точки не вызвал измельчения зерна

Приведенная схема является типичной, однако встречаются отступления, о которых следует сказать вкратце.

Если исходная структура стали — мартенсит или бейнит, то превращение этих структур в аустенит не сопровождается измельчением аустенитного зерна, как это следует из схем, приведенных на рис. 176, а зерно аустенита вновь приобретает не только размеры бывшего до закалки 2 зерна аустенита (рис. 177). В этом нет ничего удивительного.

При превращении аустенита в перлит по диффузионному механизму рост кристаллов новых фаз сопровождается оттеснением дефектов строения к границам зерен, другими словами, дефекты (дислокации, вакансии, примесные атомы), ранее располагавшиеся по границам аустенитных зерен, перераспределяются на границы ферритных (перлитных). При мартенситном (бейнитном) превращении подобного перераспределения дефектов не происходит; они остаются на местах прежних аустенитных зерен. При переходе через критическую точку образующиеся мелкие слаборазориентированные аустенитные зерна, не имеющие на своих границах защитных дефектных слоев, быстро объединяются в одно зерно, форма и размеры которого определяются расположением зернограничных дефектов, т. е. восстанавливается прежнее (по размерам) аустенитное зерно.

Замечательной и, можно сказать, удивительной особенностью этого аустенитного зерна является его нестабильность. При нагреве до более высокой температуры неожиданно зерно измельчается (рис. 178). Факт этот обнаружен был В. Д. Садовским в 40-х годах и впоследствии подробно им же с сотрудниками изучена В. Д. Садовский считает, что превращение мартенсита в аустенит происходит по другому механизму, чем перлита в аустенит, и сопровождается наклепом (так называемым фазовым наклепом), дальнейший нагрев и образование новых зерен — естественный процесс рекристаллизации аустенита.

На схеме (см. рис. 176) показано, что с повышением температуры зерно аустенита монотонно растет; чем выше температура, тем быстрее растет зерно.

Ранее было указано (с. 82-85), что существуют два основных механизма роста зерна — слияние и миграция.

Для миграционного механизма, который реализуется путем процесса самодиффузии, температура — решающий фактор, определяющий скорость роста зерен.

Слияние наступает тогда, когда диффузионная подвижность становится достаточной для залечивания дефектов на границах зерен, мешающих их слиянию. Это приводит к тому, что отдельные зерна могут вырасти до крупных размеров при температурах, когда миграция еще не приобрела большую скорость.

Для аустенита обычных сталей процесс слияния реализуется в интервале температур 900-1000°С, когда вырастают отдельные, очень крупные зерна (рис. 179), миграционный процесс ведет к образованию крупных зерен при более высоких температурах (выше 1200 °С).

Рис. 178. Схема образования аустенита при исходной мартенситной (бейнитной) структуре

Рис. 179. Влияние температуры на размер зерна аустенита (К — крупное зерно. М — мелкое зерно)

Во многих случаях необходимо установить размер бывшего (т. е. существовавшего при высокой температуре) аустенитного зерна при фактически другой струк туре стали, так как этот размер определяет многие свойства стали, особенно в закаленном состоянии.

Существует ряд способов определения размеров бывшего аустенитного зерна.

Для фиксирования положения границ аустенитного зерна применяют разные способы, например: замедленное охлаждение, способствующее выделению по этим границам избыточных фаз (феррита, цементита и др.); длительный нагрев, вызывающий проникновение кислорода вглубь по границам зерен, и образование сетки из окислов; специальные методы травления мартенсита; травление в вакууме при высокой температуре, при которой растравливаются лишь границы.

Для определения действительного зерна определяют средний размер зерна или сравнивают исследуемую структуру со стандартной шкалой.

Как уже указывалось, наследственная зернистость стали есть способность зерна аустенита к росту. Поэтому для определения зернистости необходимо знать зависимость размера зерна от температуры. Практически, однако, удобнее наследственную зернистость определять лишь размером зерна (соответствующим номером шкалы, рис. 180), причем предварительно сталь должна быть нагрета до таких температур, при которых у наследственно мелкозернистой стали зерно еще не начнет расти, а у наследственно крупнозернистой стали уже вырастет. Для обычных сортов конструкционной стали — это температура 930 °С. Стали, у которых при этой температуре номер зерна 1—4, принято считать наследственно крупнозернистыми, а стали с номером зерна 5—8 — наследственно мелкозернистыми.

Условный номер зерна в действительности характеризует такие физические величины, как средний размер зерна или число зерен, приходящихся на поверхности шлифа (рис. 181). Например, при размере зерна средний его размер 45 мкм и в шлифа помещается 500 зерен.

Зависит ли склонность к росту зерна (наследственная зернистость) от состава стали? Безусловно, зависит. Заэвтектоидная сталь, как правило, менее чувствительна к росту зерна при повышении температуры, чем эвтектоидная. Многие легирующие элементы, вводимые в сталь (ванадий, титан, вольфрам, молибден и др.), уменьшают склонность зерна аустенита к росту. Однако, установлено, что даже разные плавки стали одной и той же марки обладают разной способностью к росту зерна, т. е. имеют разную наследственную зернистость.

Рис. 180. Шкала размеров зерна,

Здесь имеет значение способ производства стали — метод ее раскисления.

Сталь, раскисленная только ферромарганцем (кипящая сталь) или ферромарганцем и ферросилицием, — наследственно крупнозернистая сталь, а сталь, дополнительно раскисленная алюминием, — мелкозернистая.

Наиболее достоверное объяснение природы мелкозернистости дает так называемая теория барьеров. Алюминий, введенный в жидкую сталь незадолго до ее разливки по изложницам, образует с растворенным в жидкой стали азотом и кислородом частицы нитридов и оксидов Эти соединения растворяются в жидкой стали, а после ее кристаллизации и последующего охлаждения выделяются в виде мельчайших субмикроскопических частиц («неметаллическая пыль»). Последние, располагаясь преимущественно по границам зерна, препятствуют его росту.

Начиная с определенной температуры, даже у мелкозернистых сталей наблюдается интенсивный рост зерна. Как показали исследования, при достаточно высоких температурах происходит растворение нитридов алюминия в поверхностных слоях аустенитного зерна. При этом устраняются барьеры, препятствующие росту зерна аустенита, и зерно начинает расти.

На свойства стали влияет только действительный размер зерна, наследственный размер зерна влияния не оказывает. Если у двух сталей одной марки (одна наследственно крупнозернистая, другая наследственно мелкозернистая) при различных температурах термических обработок будет получен одинаковый действительный размер зерна, то свойства их будут одинаковыми. Если размер зерна будет различный, то существенно будут различаться многие свойства стали.

Рис. 181. Номограмма размеров аарна

Укрупнение зерна аустенита в стали почти не отражается на статистических характеристиках механических свойств (твердость, сопротивление разрыву, предел текучести, относительное удлинение), но сильно снижает ударную вязкость, особенно при высокой твердости (отпуск при низкой температуре). Это явление сказывается из-за повышения порога хладноломкости с укрупнением зерна.

Если на свойства стали влияет действительный размер зерна, то технологический процесс горячей обработки определяется наследственным зерном.

Наследственно мелкозернистая сталь не склонна к перегреву, т. е. интенсивный рост зерен начинается при значительно более высокой температуре, чем у наследственно крупнозернистой. Поэтому интервал температур закалки у наследственно мелкозернистых сталей значительно шире, чем у наследственно крупнозернистых:

Наследственно мелкозернистую сталь можно прокатывать (ковать) при более высоких температурах и заканчивать прокатку (ковку) при более высокой температуре, не опасаясь получения при этом крупнозернистой структуры. Как правило, все спокойные марки стали изготавливают наследственно мелкозернистыми, а кипящие стали — наследственно крупнозернистыми.