Превращение переохлажденного аустенита при  при изотермической выдержке.

Диаграмма изотермического превращения аустенита.

Основное превращение, протекающее во время охлаждения при отжиге эвтектоидной стали, - это распад аустенита при тем­пературе ниже точки А₁ (727 °С) на смесь феррита с цементитом. При скорости охлаждения стали, обеспечивающей полное проте­кание диффузионных процессов и соответственно близкое к рав­новесному состояние стали, в структуре последней в соответствии с диаграммой железо - углерод образуется перлит.Процесс диффузионного превращения аустенита в перлит определяется разностью свободных энергий аустенита и продуктов его распада Ф + Ц, а кинетика превраще­ния - числом образования центров превращения перлита и интен­сивностью роста этих центров.

Перлит растет из отдельных центров в виде колоний. Зародышем перлитной колонии обычно является цементит, зарождение которого облегчено на границе аустенитных зерен. При утолщении цементитной пластины вблизи нее аустенит

обедняется углеродом и создаются условия для зарождения путем полиморфного   превращения ферритных пластин, примыкающих к цементитной пластине

При утолщении же ферритной пластины, практически не со­держащей углерода, он оттесняется в аустенит, в результате чего создаются благоприятные условия для появления новых цементитных пластин. Кинетика эвтектоидного превращения аустенита в перлит изо­бражается С-образными кривыми на диаграмме изотермическо­го превращения аустенита. С-образную диаграмму стро­ят следующим образом. На­гретые до температуры на 30-50 °С выше А_с1 образцы, имеющие структуру однород­ного аустенита, переносят в термостаты (соляные ванны) с заданной тем­пературой. Учитывая, что аустенит парамагнитен, а механическая смесь феррита и цементита обладает ферромагнит­ными свойствами, наблюдения за изменениями магнитных ха­рактеристик образцов позволяют оценить кинетику превращений аустенита в перлит при различных температурах.

На рис. 9.4 приведены кинетические кривые изотермиче­ского распада аустенита, полученные для различных температур: t_l > t₂ > t₃ > t₄ > t₅ > t₆. Характер кривых показывает, что сначала процесс распада идет медленно, затем скорость его растет и при образовании 50 % продуктов превращения достигает максимума, а по мере снижения количества оставшегося аустенита процесс постепенно затухает. Точки а , а₂, а₃, а₄, а ₅, а ₆ соответствуют на­чалу, точки  b ₁, b₂, b₃, b ₄, b ₅, b ₆ - концу превращения.

Преобразуя координаты, по полученным опытным кинетиче­ским кривым строят диаграммы изотермического превращения аустенита. Для этого на горизонтальные пунктирные линии тем­ператур изотермических выдержек t_t t₂,t₃, t₄, t₅, t₆ наносят точки начала (a) и конца (Ь) превращении. Тогда кривая a₁- а₆ есть ли­ния начала, в b₁ - b ₆ - линия конца превращения (рис. 9.4, б).

На рис. 9.5 приведена ди­аграмма изотермического превра­щения аустенита для эвтектоидной стали (0,8 % С). Горизонталь­ные линии М_н и М_к показывают температуры начала и конца без­диффузионного мартенситного превращения.

Диаграммы изотермического превращения называют за сходство кривых с буквой "С" также С-диаграммами.На диаграмме выделяют следующие области: 1) область устойчивого аустенита (для стали, содержащей 0,8 % С, выше А_с1); 2) область переохлажденного аустенита (область, расположенная слева от кривой начала распада ау­стенита),определяет продол­жительность инкубационного периода, характеризующую устойчи­вость переохлажденного аустенита.; 3) область начавшегося, но еще не закончившегося превращения А  П; 4) область закон­чившегося превращения; 5) область начавшегося, но еще не за­кончившегося мартенситного превращения (между М_н - М_к); 6) мартенситная область (ниже М_к).

С увеличением переохлаждения устойчивость переохлажденного аустенита быстро уменьшается, достигая минимума (для эвтектоидной стали около 550 °С), и далее вновь возрастает.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита разли­чают три температурные области превращения: перлитную (пере­охлаждение до 500 °С), мартенситную (переохлаждение ниже М_н - для эвтектоидной стали ниже температуры 240 °С) и проме­жуточного (бейнитного) превращения (переохлаждение для эв­тектоидной стали в интервале от 500 до 240 °С).

В эвтектоидной стали при распаде аустенита в области температур 650-700 °С образуется собственно перлит, межпластинчатое расстояние в колониях которого равно 0,5-1мкм.

При увеличении переохлаждения увеличивается количество зародышей новой фазы. С ростом числа чередую­щихся пластин феррита и цементита уменьшаются их размеры и расстояния между ними, с пониже­нием температуры растет дисперсность продуктов превращения аустенита (рис.9.6). Под степенью дисперсности понимают расстояние ме­жду соседними пластинками феррита и цементита. При темпера­туре 600-650 °С образуется феррито- цементитная смесь, межпластинчатое расстояние в которой равно 0,2-0,4мкм, называемая  сорбит, а при 550-600 °С образуется троостит с межпластинчатым расстоянием около 0,1мкм. Перлит, сорбит, троостит являются структурами одной приро­ды - механической смесью феррита и цементита и отличаются друг от друга лишь степенью дисперсности, их называют перлитными структурами. С увеличением степени дисперсности пластин цементита растет твердость и прочность стали. Наибольшую пластичность имеют стали с сорбитной струк­турой. Троостит, образующийся при более низкой температуре превращения, характеризуется меньшей пластичностью (мень­шими  и ).При непрерывном охлаждении указанные структуры образуются в углеродистой эвтектоидной стали при следующих условиях: перлит при охлаждении стали из аустенитного состояния вместе с печью, сорбит при охлаждении на воздухе, тростит при охлаждении в масле. Твердость перлита, сорбита и троостита равна приближенно 170-230;230-330;330-400 соответственно.

Перлитные структуры в зависимости от формы цементита мо­гут быть пластинчатыми или зернистыми. Пластинчатые струк­туры образуются при превращении однородного (гомогенного) ау­стенита, а зернистые - неоднородного аустенита.

Так как в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях в отличие от эвтектоидных в интервале температур А₁-А₃ сначала выделя­ются избыточные фазы - феррит (в доэвтектоидных сталях) или избыточный цементит (в заэвтектоидных сталях), то на диаграм­ме изотермического распада аустенита для этих сталей характер­но появление дополнительной кривой, характеризующей начало выделения соответствующих избыточных фаз (рис. 9.7).Форма избыточных фаз зависит от степени переохлаждения аустенита и размера аустенитного зерна. При небольших степенях переохлаждения феррит и цементит выделяются виде сетки по границам аустенитных зерен; начиная с некоторой степени переохлаждения в доэвтектоидных сталях от компактных кристаллов или от границ зерен растут пластины феррита т.е. образуется видманштетова структура, характеризующаяся пониженной ударной вязкостью, в заэвтектоидных сталях цементит образует пластины(иглы) внутри аустенитного зерна.

Мартенситное превращение.

При больших степенях переохлаждения возрастает термоди­намическая неустойчивость аустенита, а скорость диффузии угле­рода резко падает. При переохлаждении аустенита в эвтектоидной стали до 240 °С подвижность атомов углерода близка к нулю, и происходит бездиффузионное превращение аустенита. При этом меняется лишь тип решетки . а весь углерод, ранее раство­ренный в решетке аустенита, остается в решетке феррита, не­смотря на то, что равновесная концентрация углерода в феррите при комнатной температуре не превышает 0,006 %. В результате образуется пересыщенный упорядоченный твердый раствор внедрения углерода в а-железе, который называется мартенситом. Из-за пересыщенности углеродом решетка мартенсита сильно искажена и вместо кубической приобретает тетрагональную форму, при которой от­ношение параметров решетки существенно отличается от едини­цы, т. е. с/а  1. Чем больше углерода, тем выше степень тетрагональности мартенсита (рис. 9.8).

Высокая скорость образования кристаллов мартенсита при низкой температуре протекания превращения объясняется тем, что имеет место непосредственный переход от кристаллической решетки аустенита к решетке мартенсита (когерентные границы). При практически мгновенном  переходе атомы смещают­ся упорядочение, строго ориентированно на расстояния, меньшие межатомных т.е. превращение бездиффузионное. При этом сохраняется общая сопрягающаяся плос­кость решеток - и -Fe - так называемая когерентная связь. Поэтому кристаллическая решетка новой фазы мартенсита закономерно ориентирована относительно исходной фазы - аусте­нита. Из-за когерентного сопряжения решеток и различия удельных объемов фаз (аустенита и мартенсита) мартенситное превращение приводит к возникновению больших внутренних напряжений.

Мартенситное превращение идет в интервале температур на­чала и конца мартенситного превращения М_н и М_к  при непрерывном охлаждении.Для эвтектоидной стали оно начинается при 240 и заканчивается при -50 °С. Однако при этой температуре в стали сохраняется еще некоторое количество непревращенного, так называемого остаточного аусте­нита. Охлаждение ниже температуры М_к не приводят к его окон­чательному распаду. Положение точек М_н и М_к не зависит от ско­рости охлаждения, но зависит от содержания углерода в стали (рис. 9.9). Все легирующие элементы, растворенные в аустените, за исключением кобальта и алюминия, понижают точки М_н и М_к. Мартенситное превращение очень чувствительно к напряже­нию, а деформация аустенита может вызвать превращения даже при температурах выше М_н (образуется мартенсит деформации). Кристаллы в зависимости от состава сплава, а, следовательно, в зависимости от температуры своего образования, могут иметь различную морфологию и субструктуру. Различают два вида мар­тенсита: пластинчатый (игольчатый) и пакетный (реечный)

        Пластинчатый мартенсит образу­ется в высокоуглеродистых сталях, имеющих низкие значения М_н и М_к. Са­ми кристаллы мартенсита в этом случае представляют со­бой широкие пластины, кото­рые в плоскости шлифа име­ют вид игл.

Пакетный (реечный) мартенсит характерен для низко- и среднеуглеродистых, а также конструкционных легированных ста­лей. В этом случае кристаллы мартенсита имеют форму тонких реек, вытянутых в одном направлении  и объеди­ненных в пакеты. Тонкая структура пакетного (реечного) мартен­сита представляет собой запутанные дислокации высокой плотно­сти (~10¹⁰-10¹² см-²) при полном отсутствии двойников. В легиро­ванных сталях внутри мартенситных пакетов между кристаллами мартенсита, как правило, присутствуют прослойки остаточного аустенита.

Размеры кристаллов любой морфологии мартенсита опреде­ляются величиной исходного зерна аустенита. Они тем крупнее, чем больше зерно аустенита.

Если эвтектоидную сталь охладить только до комнатной тем­пературы, то в структуре кроме мартенсита будет присутствовать некоторое количество остаточного аустенита. Наличие остаточно­го аустенита нежелательно, так как это приводит к неоднородно­сти свойств по сечению и изменению размеров деталей. Последнее обстоятельство объясняется тем, что мартенсит имеет наиболь­ший удельный объем по сравнению с другими структурами, а аустенит - наименьший. Поэтому при переходе от аустенитной структуры к мартенситной объем и размеры деталей увеличива­ются. К особенностям мартенситного превращения относится то, что оно происходит только при непрерывном охлаждении. За­держка охлаждения при температуре выше температуры конца мартенситного превращения приводит к стабилизации аустенита. Аустенит становится более устойчивым. При последующем охла­ждении его превращение затруднено и протекает с меньшей ин­тенсивностью и полнотой. Эффект стабилизации аустенита зави­сит от температуры остановки при охлаждении. Таким образом, особенностями мартенситного превращения яв­ляются: отсутствие инкубационного периода, его бездиффузионный характер, ориентированность кристаллов и образование при непрерывном охлаждении в интервале температур М_н -М_к.

Упрочнение при закалке стали определяется действием нескольких механизмов торможения дислокаций. Важнейшая роль отводится во всех теориях углероду, но мартенситное превращение в чистом железе и безуглеродистых сплавах приводит к повышению прочностных свойств в 3-4 раза по сравнению с отожженным состоянием. Твердость железа в результате мартенситного превращения увеличивается с 60 до 200HV.

Характерной чертой мартенсита является его высокая твер­дость и прочность, значения которых возрастают с увеличением содержания углерода в мартенсите. Временное сопротивление низкоуглеродистого мартенсита (0,025 % С) составляет 1000 МПа, а мартенсит с содержанием 0,6-0,7 % С имеет временное сопро­тивление 2600-2700 МПа. Объясняется это тем, что атомы углерода, внедренные в решетку железа затрудняют скольжение дислокаций в мартенсите, образуя атмосферы на дислокациях, закрепляя их. Кроме того происходит выделение из твердого раствора дисперсных частиц карбида. Мартенсит имеет высокую твердость(до 65 HRC_э) и хрупкость. Высокая твердость мартенсита обусловлена искажениями кри­сталлической решетки и соответственно большими внутренними напряжениями, определяемыми растворенным углеродом, а так­же возникновением фазового наклепа за счет увеличения объема при превращении аустенита в мартенсит. В результате этого плотность дислокаций в мартенсите достигает уровня холоднодеформируемой стали и равняется 10¹⁰-10¹² см-².

 Однако с повышением содержания уг­лерода в мартенсите возрастает и его склонность к хрупкому раз­рушению. Мартенсит, содержащий более 0,35-0,4 % С, имеет низ­кое сопротивление зарождению и распространению трещины, а также низкие значения вязкости разрушения К_1с.

Увеличение удельного объема при образовании мартенсита является одной из основных причин возникновения при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию и коробление изделий, а также появление закалочных трещин.