Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 3. Распад аустенитаПревращение аустенита в перлит заключается в распаде аустенита — твердого раствора углерода в ужелезе, на почти чистое а-железо и цементит:
Превращение может начаться не в точке а при некотором переохлаждении, когда свободная энергия феррито-карбидной смеси (перлита) окажется меньшей, чем свободная энергия аустенита (см. рис. 173). Чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение, тем больше разность свободных энергий, тем быстрее происходит превращение. В случае перлитного превращения образуются фазы, резко отличающиеся по составу от исходной: феррит, почти не содержащий углерода, и цементит, содержащий 6,67 %. Поэтому превращение аустенит Итак, мы приходим к важному выводу, что при увеличении переохлаждения (снижения температуры превращения) вступают в борьбу два фактора, прямо противоположно влияющие на скорость превращения.
Рис. 182. Скорость распада аустенита (сплошная линия) в зависимости от степени переохлаждения (температуры)
Рис. 183. Скорости роста кристаллов и зарождения центров кристаллизации перлита в зависимости от температуры (степени переохлаждения) Снижение температуры (увеличение переохлаждения), с одной стороны, увеличивает разность свободных энергий аустенита и перлита При Процесс образования перлита — это процесс зарождения центров перлита и роста перлитных кристаллов, как было впервые в 1939 г. показано И. Л. Миркиным и затем (в 1941 г. и в последующих) развито Р. Мелом. Следовательно, разная скорость перлитного превращения при разной степени переохлаждения определяется тем, что подобным образом зависят от степени переохлаждения скорость роста (с. к.) и число образующихся центров (ч. ц.) перлита (рис. 183). В точке и ниже 200 °С оба параметра кристаллизации - ч. ц. и с. к. — равны нулю и имеют максимальное значение при переохлаждении, равном 150-200 °С. Из сказанного следует, что как только созданы надлежащие условия, зарождаются центры кристаллизации и из них растут кристаллы. Процесс этот происходит во времени и может быть изображен в виде так называемой кинетической кривой превращения, показывающей количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения (рис. 184).
Рис. 184. Кинетическая кривая превращения аустенита в перлит
Рис. 185. Кинетические кривые превращения аустенита в перлит при различных температурах Начальный период характеризуется весьма малой скоростью превращения — это так называемый инкубационный период, или период инертности. Точка а на кривой показывает момент, когда обнаруживается начало превращения (обычно это соответствует образованию Скорость превращения зависит от степени переохлаждения. При малых и значительных переохлаждениях превращение происходит медленно, так как малы значения с. к. и ч. ц. (см. рис. 18.5); в первом случае — из-за малой разности свободных энергий, во втором — из-за малой диффузионной подвижности атомов. При максимальной скорости превращения кинетические кривые идут круто вверх и превращение заканчивается за малый отрезок времени. На рис. 185 показана серия кинетических кривых, подобных приведенной на рис. 184, но относящихся к разным температурам (разным степеням переохлаждения). При высокой температуре превращения (отрезок от начала координат до точки Если нанести на диаграмму отрезки кривых аустенито-перлитного превращения, соответствующие началу превращения (время «инкубационного периода») и концу превращения, т. е. точки а и b расположить по вертикали по мере снижения температуры, то получим диаграмму, приведенную на рис. 186. Кривая начала превращения в зависимости от степени переохлаждения покажет время, когда превращение практически не наблюдается, т. е. когда имеем переохлажденный аустенит. Мерой его неустойчивости может служить отрезок от оси ординат до кривой начала превращения при 500-600 °С (температура
Рис. 186. Диаграмма изотермического превращения аустенита (построена по кривым изотермического превращения на рис. 185) Вторая кривая показывает время, необходимое при данном переохлаждении для Полного превращения аустенита в перлит. При 500-600 °С это время также минимально. Следует указать, что по горизонтали шкала логарифмическая. Это сделано для удобства изображения, так как слишком различны скорости образования перлита около критической точки и у изгиба кривой. В первом случае (для углеродистой стали), превращение заканчивается через несколько десятков минут (тысячи секунд), а во втором случае оно происходит за одну-две секунды. Горизонтальная линия Мн показывает температуру начала бездиффузионного мартенситного превращения. Механизм этого превращения отличается от механизма образования перлита и будет рассматриваться ниже. На рис. 186 показано время превращения аустенита в перлит в зависимости от степени переохлаждения, т. е. превращение переохлажденного аустенита при постоянной температуре. Поэтому такие диаграммы обычно называют диаграммами изотермического превращения аустенита. Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита имеют вид буквы С, поэтому их часто называют С-образными или просто С-кривыми. Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходил процесс его распада (рис. 187). При высоких температурах, т. е. при малых степенях переохлаждения, получается достаточно грубая (легко дифференцируемая под микроскопом) смесь феррита и цементита. Эта смесь называется перлитом (рис. 187, а).
Рис. 187. Структура эвтектокцной стали в зависимости от температуры распада аустенита: а — перлит, распад при При более низких температурах и, следовательно, при больших степенях переохлаждения дисперсность структур возрастает и твердость продуктов повышается. Такой более тонкого строения перлит получил название сорбита (рис. 187, б). При еще более низкой температуре (что соответствует изгибу С-кривой) дисперсность продуктов еще более возрастает, и дифференцировать под оптическим микроскопом отдельные составляющие феррито-цементитной смеси становится почти невозможно, но при наблюдении под электронным микроскопом пластинчатое строение обнаруживается вполне четко (рис. 187, в). Такая структура называется трооститом. Таким образом, перлит, сорбит и троостит — структуры с одинаковой природой (феррит Перлитные структуры могут быть двух типов: зернистые (цементит в них находится в форме зернышек) или пластинчатые (в форме пластинок). Однородный (гомогенный) аустенит всегда превращается в пластинчатый перлит. Следовательно, нагрев до высокой температуры, который создает условия для образования более однородной структуры, способствует появлению пластинчатых структур. Неоднородный аустенит при всех степенях переохлаждения дает зернистый перлит, следовательно, нагрев до невысокой температуры (для заэвтектоидной стали ниже Как показано на рис. 188, при исходном нагреве до 900 °С получился пластинчатый перлит, причем более низкая температура превращения дает более дисперсную структуру. В той же стали при тех же температурах превращения, но после невысокого нагрева (780 °С), получился зернистый перлит. Размер зерен цементита мельче при более низкой температуре превращения. Следовательно, размер цементитных частиц зависит от температуры превращения аустенита, а форма цементита — от температуры нагрева (температуры аустенизации). Превращения выше и ниже изгиба С-кривой отличаются по кинетике превращения и по форме продуктов распада. Выше изгиба С-кривой, т. е. при малых переохлаждениях, превращение начинается из немногих центров, и кристаллы перлита растут до столкновения. Ниже изгиба С-кривой возникает игольчатая микроструктура, образуются иглы-пластины, рост которых ограничен, и превращение происходит главным образом путем появления новых кристаллов. Образующаяся ниже изгиба С-кривой игольчатая структура получила название бейнит. Превращение аустенита в бейнит имеет общие черты с перлитным и мартенситным превращениями, поэтому с бейнитным превращением следует познакомиться после изучения превращения аустенита в мартенсит. Мы видели, что скорость изотермического превращения аустенита определяется величинами с. к. и ч. ц. Параметр ч. ц. весьма чувствителен к различным изменениям структуры стали. Металлургическая природа стали, ее раскисленность, наличие нерастворенных частиц, однородность аустенита, размер зерна аустенита — факторы, весьма сильно влияющие на величину ч. ц. Наличие нерастворенных частиц увеличивает значение ч. ц., так как эти частицы являются дополнительными зародышевыми центрами. Увеличение размера зерна аустенита уменьшает ч. ц. Зародыши возникают преимущественно по границам зерна, поэтому у более крупнозернистой стали общая протяженность границ зерна меньше, чем у мелкозернистой» и, следовательно, условия для зарождения центров хуже.
Рис. 188. Структура перлита: 1 — пластинчатого (сталь с Параметр с. к. нечувствителен к перечисленным факторам. Величина с. к. зависит только от состава стали и для данного химического состава является природной характеристикой стали, зависящей только от степени переохлаждения. Пока мы рассмотрели превращение аустенита в перлит, протекающее в сталях, по составу близких к эвтектоидному. Если содержание углерода в стали отлично от эвтектоидного, то, как следует из диаграммы железо—углерод, превращению аустенита в перлит предшествует выделение феррита или цементита. В дозвтектоидных сталях превращение аустенита начинается с образования феррита и обогащения углеродом оставшегося у-раствора, заэвтектоидных — с выделения цементита и обеднения углеродом аустенита. В условиях равновесия распад аустенита на феррит и цементит (т. е. перлитное превращение) наступает тогда, когда содержание углерода в аустените, оставшемся после выделения избыточных феррита или цементита, будет соответствовать точке Рассмотрим превращения в условиях переохлаждения сталей, различных по содержанию углерода. Линия
Рис. 189. Состав эвтектоида в зависимости от степени переохлаждения ниже равновесной температуры Если это так, то одновременное выделение из аустенита и феррита, и цементита возможно лишь при условии пересыщения аустенита обеими составляющими, т. е. левее линии Это также означает, что строго определенный состав эвтектоид имеет лишь в условиях кристаллизации без переохлаждения (в точке Эвтектоид, образовавшийся из переохлажденного аустенита и имеющий концентрацию, отличную от эвтектоидной, называется квазиэвтектоидом. Из схемы, приведенной на рис. 189 следует, что в заэвтектоидных сталях квазиэвтектоид может содержать углерода больше, а в доэвтектоидных сталях — меньше чем Описанное находит отражение на диаграмме изотермического распада аустенита. На рис. 190 показана диаграмма изотермического распада аустенита для доэвтектоидной стали в полном виде. На ней приведены кривая начала выделения феррита, кривая начала и кривая конца превращения аустенита в перлит, а также горизонтали По этой диаграмме основные сведения об изотермическом превращении можно получить для данной стали при любой степени переохлаждения. Например, при переохлаждении до Если взять не доэвтектоидную, а заэвтектоидную сталь, то при малых переохлаждениях распаду аустенита будет предшествовать предварительное выделение цементита.
Рис. 190. Диаграмма изотермического распада аустенита для доэвтектоидной стали
Рис. 191. Обобщенная диаграмма превращения переохлажденного аустенита в углеродистой стали Связь между характером изотермического превращения аустенита, содержанием углерода и температурной показывает обобщенная диаграмма, приведенная на рис. 191. В соответствии с этой обобщенной диаграммой распад аустенита происходит в интервале температур, ограниченном горизонталями Диффузионный перлитный распад без предварительного выделения феррита или цементита происходит в области I; левее линии ему предшествует выделение феррита, а правее линии Следовательно, в зависимости от содержания углерода и степени переохлаждения существуют следующие области превращения аустенита: I — превращение аустенит II — предварительное выделение феррита и затем превращение аустенит
Рис. 192. Наложение на диаграмму изотермического распада аустенита кривых охлаждения. Схемы структур и их твердость
Рис. 193. Мартенсит и троостит, III — предварительное выделение цементита и затем превращение аустенит IV — превращение аустенит бейнит; V — превращение аустенит VI — превращение аустенит VII — переохлажденный аустенит сохраняется без превращения. После рассмотрения процесса превращения аустенита при постоянной температуре и разных степенях переохлаждения можно перейти к рассмотрению процесса распада аустенита при непрерывном охлаждении, когда сталь, нагретая до аустенитного состояния, охлаждается с разной скоростью. Диаграмма изотермического распада аустенита строится в координатах температура—время; в этих же координатах изображаются и кривые охлаждения. Наложим на диаграмму изотермического распада аустенита кривые охлаждения (рис. 192). Линия характеризующая медленное охлаждение, пересечет линии диаграммы в точках соответствующих положениям точек При более быстром охлаждении кривые Из этого построения видно, что чем больше скорость охлаждения, тем при более низкой температуре произойдет превращение, и поэтому тем более дисперсными и твердыми будут продукты превращения. Если же охлаждать аустенит с большой скоростью Следовательно, чтобы закалить сталь, ее следует охлаждать с такой скоростью, чтобы не успели пройти процессы распада аустенита в верхнем районе температур. Из рис. 192 видно, что все скорости, большие, чем Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения, называется критической скоростью закалки. Чтобы закалить сталь, ее следует охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая. Чем правее лежит кривая начала превращения, тем меньше величина Если охлаждать со скоростью, немного меньшей критической, то аустенит в верхнем районе температур превратится лишь частично и структура будет состоять из продуктов превращения в верхнем районе температур (троостит) и мартенсита (рис. 193). Если Если предположить, что снижение температуры при закалке прямо пропорционально логарифму времени, то в координатах
где Однако Ошибка этого построения (при количественном определении критической скорости закалки), как показал С. С. Штейнберг, заключается в следующем. Время охлаждения от не отсутствуют, а очень медленно протекают процессы превращения аустенита, причем тем медленнее, чем выше температура. Другими словами, отрезок времени в инкубационном периоде вблизи точки Вводя коэффициент 1,5, мы приближаемся к действительному определению критической скорости закалки. Определяемая таким образом критическая скорость закалки будет равна
Это рассмотрение показывает, что простое наложение кривых охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита дает лишь приближенную количественную оценку характера превращения, протекающего при непрерывном охлаждении.
Рис. 194. Кривые охлаждения центра цилиндрических образцов: а — различных диаметров в воде (цифры у кривых — диаметр образца); б — диаметром 25 мм в различных средах (1 — вода, 2 — масло, 3 — воздух)
Рис. 195. Анизотермическая диаграмма превращения аустенита Для более точной оценки превращений, совершающихся при непрерывно меняющейся температуре, пользуются так называемыми термокинетическими или анизотермическими диаграммами превращений аустенита, диаграммами, характеризующими превращение аустенита при различных скоростях охлаждения. Хотя диаграммы изотермического превращения дают много сведений о характере превращений, на практике изотермичность превращения достигается далеко не всегда. В случае очень быстрого превращения процесс распада аустенита может и обычно происходит во время достижения заданной температуры. Поэтому диаграммы изотермического превращения для времени выдержки менее 10 с очень неточны. При обработке более или менее крупных сечений не достигается важное условие, необходимое для построения диаграмм изотермического распада аустенита, — быстрое охлаждение до заданной температуры. Сохраняя большое познавательное значение, диаграммы изотермического превращения аустенита уступили ведущее место анизотермическим (т. е. не изотермическим) диаграммам для практических назначений режимов термической обработки. Условия охлаждения в настоящее время хорошо изучены. Поэтому в лабораторных условиях можно имитировать охлаждение небольшого образца, соответствующего охлаждению массивных изделий разного размера (рис. 194, а) и в разных средах (рис. 194, б) Рис. 196. (см. скан) Диаграмма изотермического (а) и анизотермического (термокинетического) (б) превращений аустенита в стали В процессе охлаждения определяют по дилатометрическому (по изменению размеров) или магнитному (аустенит не магнитен, продукты превращения магнитны) эффекту температуры начала и конца превращений. Затем на диаграмме температура—время наносят экспериментальные кривые охлаждения с точки начала и конца превращения и интервалы одинаковых превращений объединяют в одну область (рис. 195). Раньше мы приводили лишь схемы диаграмм превращения аустенита. Для полной информации о превращении аустенита той или иной марки стали необходимы обе диаграммы и ряд дополнительных сведений: марка и состав стали, температура нагрева, размер зерна аустенита, а также свойства (хотя бы твердость) продуктов распада и соотношение структурных составляющих. Это мы видим на рис. 196, где приведены диаграммы изотермического и анизотермического превращения аустенита стали
|
1 |
Оглавление
|