Превращения в стали при нагреве.

При нагреве эвтектоидной стали с исходной структурой перлит (смесь ферри­та и цементита) выше критической точки А  происходит образованием аустенита. Превращение перлита в аустенит в точном соответствии с диаграммой железо - углерод происходит лишь при очень медленном нагреве. В реальных условиях нагрева при тер­мообработке превращение перлита в аустенит запаздывает, и име­ет место перегрев. Скорость превращения зависит от степени пере­грева. Чем выше температура, тем больше степень перегрева и тем быстрее идет превращение.

При достаточно высокой температуре из-за большой подвиж­ности атомов превращение протекает практически мгновенно, по­этому кривые начала и конца превращения сливаются и попадают на ось ординат. При очень малом перегреве над А  превращение протекает очень медленно. В этом случае кривые начала и конца превращения также сливаются и асимптотически приближаются к линии А₁. Совпадение кривых начала и конца превращения в од­ной точке соответствует равновесному превращению по диаграмме железо - углерод. Кинетика фазовых превращений определяется двумя параметрами — скоростью зарождения центров превращения (за­родыши аустенита) и линейной скоростью роста из этих центров (зерна аустенита)

Зародыши новой фазы - аустенита - образуются на межфаз­ных поверхностях раздела феррита и цементита. Переход перлита в аустенит состоит из двух элементарных процессов: полиморфного превращения Fe  -> Fe  и растворения в -железе угле­рода цементита. Растворение цементита запаздывает по сравнению с полиморф­ным превращением. (Рис.9.3.)

Поэтому после превращения феррита в аустенит не­обходимо дополнительное время для устранения неоднородности аустенита - период гомогениза­ции аустенита.Скорость образования аустенита зависит от разности свобод­ных энергий аустенита и перлита и скорости диффузии атомов углерода, необходимых для образования гомогенного аустенита.

В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях образование ау­стенита при нагреве протекает по другой схеме. В доэвтектоидных сталях выше a₁ структура состоит из аусте­нита и феррита, а в заэвтектоидных - из аустенита и цементита. По мере нагрева до А_с3 (А_сm) происходит постепенное растворение свободного феррита или цементита в аустените. Однофазную струк­туру аустенита доэвтектоидные и заэвтектоидные стали приобре­тают только после нагрева вышеА_c3 А_сm) соответственно. С увеличением дисперсности исходной структуры время окончания всех этапов аустенизации уменьшается.

Размер аустенитного зерна - важнейшая структурная харак­теристика нагретой стали. От размера зерна аустенита зависит поведение стали в различных процессах термической, термомеханической обра­ботки и механические свойства изделия. Особенно чувствительна к размеру аустенитного зерна ударная вязкость, которая заметно падает с укрупнением зерна. Ударная вязкость мелкозернистой стали может в несколько раз превышать ударную вязкость крупнозернистой стали той же марки, при одинаковой твердости обеих.

На сильно развитой ферритно-цементитной поверхности раздела стали (дисперсная исходная структура) при нагреве выше А_c1 (A_c3, А_cm) образуется большое число цен­тров превращения - зародышей аустенита, и к концу превращения аустенитные зерна получаются мелкими.

Эти зерна называются на­чальными зернами. При дальнейшем нагреве эти зерна аустенита растут, причем разные стали характеризуются различной склон­ностью к росту зерна. По склонности к росту зерна аустенита при нагреве различают наследственно мелкозернистые и наследст­венно крупнозернистые стали. В наследственно крупнозерни­стых сталях размер зерен быстро увеличивается даже при не­большом перегреве выше A_c1 (A_c3, A_cm), а в наследственно мелко­зернистых сталях даже при значительном перегреве (от 950-1100°С)сохраняется относительно мелкое зерно (рис. 9.2). Склонность к росту зерна стали при нагревании зависит, не только состава стали по основным компонентам, но и от металлургического качества, технологии производства.Увеличение концентрации углерода в гамма- растворе способствует росту зерна. Повышение содержания углерода сверх предельной концентрации (линия ЕS диаграммы Fe- Fe C) затрудняет рост аустенитгого зерна из-за тормозящего действия частиц цементита. Почти все легирую­щие элементы (за исключением марганца) тормозят рост аустенитного зерна. Наиболее сильно тормозят рост аустенитного зерна карбидообразующие элементы V, Ti, A1 и Zr, а также W, Мо и Сr, слабо действуют Ni и Si. Основной причиной такого действия ле­гирующих элементов считается образование труднорастворимых в аустените кардов, нитридов и оксидов, которые являются барьерами для растущего зерна.

Разные плавки стали одной марки могут сильно отличаться по склонности к росту зерна так как они содержат разное количество мельчайших  тугоплавких примесей карбидов, оксидов, сульфидов и нитридов, затрудняющих рост зерна. Для определения склонности стали к росту зерна используется стандартная методика, которая заключается в окислительном нагреве шли­фа в течение 3 ч при 930 °С. Границы зерен аустенита выявляются сеткой оксидов.

От склонности к росту зерна зависит технологический процесс горячей деформации и термообработки. Наследственно мелкозер­нистые стали имеют больший интервал закалочных температур; их прокатка и ковка могут начинаться при более высоких темпе­ратурах.

При нагреве до достаточно высокой температуры - на 100-150 °С выше A_c1 (A_c3, A_cm) - наследственно мелкозернистая сталь мо­жет иметь даже более крупное зерно аустенита, чем наследственно крупнозернистая сталь имеет при нагреве до 930 °С. (рис. 9.3.) Поэтому вве­дено понятие размер действительного зерна - величина зерна при комнатной температуре, полученная в результате конкретной термообработки. Размер действительного зерна обычно тем больше, чем больше размер исходного зерна аустенита (рис. 9.3.). Механические свойства сталей определяются действительным зерном.

Нагрев стали до температур значительно выше A_c3 приводит к перегреву металла, вследствие чего образуется крупное действи­тельное зерно. Перегрев может быть исправлен повторным нагре­вом до более низкой температуры. Если нагрев проводится при температуре выше температуры перегрева и металл длительное время находится при этой температуре в окислительной атмосфе­ре печи, то может возникнуть трудно исправимый дефект - пережог стали. Он сопровождается окислением и частичным оплавлением границ зерен и характеризуется камневидным изломом.

Величина действительного зерна стали оказывает наибольшее влияние на ударную вязкость, особенно при низких температурах. Величину зерна определяют по ГОСТ 5639-82 сравнением микроструктуры стали при увеличении в 100 раз с эталонными шкалами.

Размер зерна оценивается баллами. Балл зерна прямо пропор­ционален числу зерен, помещающихся на 1 мм² шлифа, и обратно пропорционален среднему диаметру зерна. Условно принято счи­тать, что стали с размером зерна от 1- до 5-го балла относятся к крупнозернистым сталям, а с более высоким баллом зерна (от 6 до 10) - к мелкозернистым.