3. Распад аустенита

Превращение 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 перлит сопровождается диффузией, перераспределением углерода. Скорость диффузии резко уменьшается с понижением температуры, следовательно, с этой точки зрения увеличение переохлаждения должно замедлять превращения.

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 что ускоряет превращение, а с другой, — вызывает уменьшение скорости диффузии углерода , а это замедляет превращение (рис. 182). Суммарное действие обоих факторов приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигает при каком-то значении переохлаждения максимума и затем убывает (сплошная кривая на рис. 182).

При и ниже скорость превращения равна нулю, так как при равна нулю разность свободных энергий, а при равна нулю (точнее, недостаточна) скорость диффузии углерода.

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 перлита). На кривой степень превращения — время (рис. 184) видно, что скорость превращения возрастет по мере того, как развивается превращение. Максимум скорости превращения соответствует примерно тому времени, когда превратилось аустенита. В дальнейшем скорость превращения уменьшается и, наконец, превращение заканчивается (точка

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 (малая степень переохлаждения) превращение развивается медленно и продолжительность инкубационного периода (отрезок от начала координат до точки а) и время

превращения (отрезок от начала координат до точки т. е. при увеличении степени переохлаждения, скорость превращения возрастает, и поэтому продолжительность инкубационного периода и продолжительность всего превращения сокращаются. Максимум скорости превращения соответствует температуре дальнейшее снижение температуры приведет уже к уменьшению скорости превращения.

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 ), когда этот отрезок имеет минимальные размеры, т. е. аустенит начинает превращаться в перлит через наиболее короткий промежуток времени.

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 — сорбит, распад при ; в — троостит, распад при 600 °С. X15 000

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 цементит), отличающиеся степенью дисперсности феррита и цементита.

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 приводит при охлаждении к образованию зернистого перлита. Вероятно, оставшиеся не растворенными в аустените частицы, являющиеся дополнительными центрами кристаллизации, способствуют образованию зернистого цементита.

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 , полученного при нагреве до (выше и изотермического превращения при ; II — зернистого (сталь с , полученного при нагреве до (ниже и изотермического превращения при

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 диаграммы железо—углерод указывает границу предельного насыщения аустенита цементитом; значит, цементит может выделяться из аустенита лишь правее линии , очевидно, правее продолжения этой линии вниз в области переохлажденного аустенита. Аналогичное значение имеет продолжение линии как границы предельного насыщения переохлажденного аустенита ферритом.

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 и правее — в заштрихованном треугольнике (рис. 189).

Это также означает, что строго определенный состав эвтектоид имеет лишь в условиях кристаллизации без переохлаждения (в точке в реальных же условиях состав эвтектоида (перлит) характеризуется интервалом концентрации, ограниченным линиями и

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 и разница будет тем больше, чем ниже температура превращения. Следовательно, чем ниже температура превращения, тем меньше должно выделиться избыточного феррита (цементита), чтобы началось перлитное превращение. При температуре выступа С-кривой и ниже распад аустенита начинается без выделения избыточных фаз.

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 Мн и

По этой диаграмме основные сведения об изотермическом превращении можно получить для данной стали при любой степени переохлаждения. Например, при

переохлаждении до превращение начинается через некоторое время выделением из раствора феррита. Феррит выделяется в течение определенного времени, после чего начинается распад аустенита на перлит, который заканчивается на кривой, характеризующей конец превращения. Если быстро охладить аустенит до то превращение начнется прямо с образования перлита. Превращение при протекает значительно скорее, чем при

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 и Обозначение, а также физический смысл температур, обозначенных линиями ей (точки для определенного содержания углерода), были даны Д. К. Черновым. В современной интерпретации выше точки скорость диффузии железа и легирующих элементов достаточна для реализации соответствующих фазовых превращений. Между точками может протекать такое превращение, для которого достаточна лишь диффузия углерода. Ниже точки превращения могут быть только бездиффузионные (мартенситные). Между горизонталями превращение происходит с образованием пластинчатых структур, а между горизонталями — с образованием игольчатых структур. Наклонная линия М показывает температуру начала бездиффузионного мартенситного превращения.

Диффузионный перлитный распад без предварительного выделения феррита или цементита происходит в области I; левее линии

ему предшествует выделение феррита, а правее линии — выделение цементита.

Следовательно, в зависимости от содержания углерода и степени переохлаждения существуют следующие области превращения аустенита:

I — превращение аустенит перлит;

II — предварительное выделение феррита и затем превращение аустенит перлит;

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 перлит;

IV — превращение аустенит бейнит;

V — превращение аустенит мартенсит и распад остаточного аустенита с образованием бейнита;

VI — превращение аустенит мартенсит;

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 При этих температурах,

соответствующих положениям точек и произойдет превращение. Продуктом превращения будет перлит с низкой твердостью (крупнопластинчатый).

При более быстром охлаждении кривые пересекают линии диаграммы при более низких температурах (точки образуя более дисперсные продукты.

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 то превращение в верхнем районе температур не успеет произойти, аустенит переохладится до низких температур и произойдет его превращение в мартенсит, т. е. такое охлаждение приведет к закалке.

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 — кривая охлаждения, касательная к выступу С-кривой), приводит к образованию мартенсита, а меньшие — к распаду аустенита в верхнем районе температур.

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 Другими словами, чем медленнее происходит превращение аустенита в перлит, тем легче переохладить аустенит до температур мартенситного превращения и тем меньше критическая скорость закалки.

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 — критическая скорость закалки, то по диаграмме изотермического распада аустенита ее можно определить.

Если предположить, что снижение температуры при закалке прямо пропорционально логарифму времени, то в координатах кривая охлаждения приближается к прямой и

где — температура критической точки; — температура минимальной устойчивости аустенита; — время минимальной устойчивости аустенита.

Однако всегда меньше (приблизительно в 1,5 раза) величины, подсчитанной указанным образом.

Ошибка этого построения (при количественном определении критической скорости закалки), как показал С. С. Штейнберг, заключается в следующем.

Время охлаждения от до изображенное в виде прямой, можно представить в виде ступенчатого охлаждения с бесконечно большим числом участников изотермического распада при постепенно понижающейся температуре. По времени в сумме эти участки равны отрезку Мы говорили, что в инкубационном периоде

не отсутствуют, а очень медленно протекают процессы превращения аустенита, причем тем медленнее, чем выше температура. Другими словами, отрезок времени в инкубационном периоде вблизи точки отнюдь не эквивалентен такому же отрезку при температуре минимальной устойчивости аустенита и, следовательно, сумма (по времени) бесконечно малых отрезков при непрерывном охлаждении не эквивалентна отрезку у изгиба кривой изотермического распада аустенита.

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 (Ф. Вефер). Цифры в кружках — твердость продуктов распада цифры без кружков количество структурной составляющей после превращения

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