Превращение переохлажденного аустенита.

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до t > А_С3 (для доэвтектоидной стали) или выше А_Сm (для заэвтектоидной стали), быстро переохладить до t < А_r1, то аустенит окажется в метастабильном состоянии и будет претерпевать превращение.

Для описания превращения переохлажденного А-та пользуются экспериментально построенными диаграммами время – температура – степень распада или диаграммами изотермического превращения А-та (при t=const).

В диаграмме изотермического превращения А-та (рис.4.2) кривая 1 характеризует начало распада А-та, а кривая 2 – окончание распада.

Рис. 4.2. Диаграмма изотермических превращений А (0,8 % С)

П – перлит, С – сорбит, Т – троостит, Б – бейнит

Процессы распада переохлажденного А-та разделяют на два типа. Диффузионные – перлитное (область I) и промежуточное или бейнитное (область II). Бездиффузионное – мартенситное (область III).

Область, лежащая левее кривой начала распада А-та, определяет продолжительность инкубационного периода; в интервале температур и времени, определяемых этой областью, существует переохлажденный А-нит, практически не претерпевающий заметного распада. Длительность инкубационного периода характеризует устойчивость переохлажденного А-та. С увеличением переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума, и далее вновь возрастает.

При переохлаждении А-та до температуры, равной или ниже Мн, соответствующей температуре начала превращения переохлажденного А-та в мартенсит, диффузионные процессы полностью подавляются, и образование структуры, состоящей из феррита (Ф) и цементита (Ц), становится невозможным. В этом случае происходит бездиффузионное превращение А-та в мартенсит.

Перлитное превращение. Распад переохлажденного А-та с образованием перлита носит кристаллизационный характер и по своему механизму является диффузионным. Это следует из того, что аустенит, практически однородный по концентрации углерода, распадается с образованием Ф+Ц – фаз, имеющих резко различную концентрацию углерода и структуру.

Продукты перлитного превращения имеют пластинчатое строение. Чем больше переохлаждение, тем тоньше получается ферритно-цементитная структура и выше твердость.

Δ_о – межпластиночное расстояние, мкм:

П С Т

Δ_о, мкм 0,6…1,0 0,25…0,3 0,2…0,15

НВ 180…250 250…350 350…450

С увеличением степени дисперсности ферритно-цементитной структуры, т.е. с понижением температуры ее распада, твердость (НВ), пределы текучести (σ_0,2) и выносливости (σ_-1), а также временное сопротивление разрыву (σ_в) возрастают.

Относительное удлинение δ и относительное сужение ψ наивысшие у сорбита. При переходе к трооститу пластичность (δ и ψ) уменьшается.

Мартенситное превращение

Мартенсит является пересыщенным твердым раствором внедрения атомов углерода в α – железе. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в α – железе при 20 ^оС не превышает 0.02%, то его содержание в мартенсите такое же, как и в исходном аустените.

Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку, в которой ось с больше оси а.

Чем больше в мартенсите углерода, тем больше отношение с/а, т.е. больше степень тетрагональности решетки.

При мартенситном превращении происходит лишь полиморфное превращение γ→α, сопровождающееся перестройкой ГЦК решетки А в ОЦК решетку α – железа без выделения из А-та атомов углерода.

Чтобы развивалось мартенситное превращение, сталь необходимо непрерывно охлаждать ниже температуры Мн (рис.4.2). Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение также останавливается.

Температура (определяется для каждой стали), по достижении которой превращение А-та в М прекращается – Мк -, называется температурой конца мартенситного превращения.

Остаточный аустенит. В закаленной стали, имеющей точку Мк<+20 ^оС, а именно – в углеродистых сталях, содержащих более 0,5…0,6% С, или легированных, всегда присутствует остаточный А-нит. Его количество тем больше, чем ниже температуры точек Мн и Мк, т.е. чем выше содержание в А-ните углерода и легирующих элементов.

Свойства мартенсита. Высокая твердость: чем > в мартенсите углерода, тем выше твердость. В стали с 0,6 … 0,7 %С твердость мартенсита составляет 65 HRC_э (960 HV), что в 6 раз больше твердости феррита. У низкоуглеродистого (0,015%С) мартенсита σ_в≈1000 МПа, а при содержании С=0,6…0,8% σ_в= 2600…2700 МПа.

Промежуточное превращение протекает при температурах (рис.4.2), находящихся между областями перлитно – мартенситного превращения, когда диффузия атомов Fе еще весьма замедлена, а диффузия атомов С-да протекает сравнительно быстро.

В результате промежуточного превращения образуется структура – бейнит, состоящая из низкоуглеродистого мартенсита и частиц цементита (карбидов).

Изотермическое превращение аустенита доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей. В этих сталях в отличие от эвтектоидной в верхнем интервале температур сначала выделяется избыточный феррит (в доэвтектоидной стали) или избыточный цементит (в заэвтектоидной стали).

 

Превращение аустенита при непрерывном охлаждении.

Рис. 4.3 Диаграмма распада переохлажденного аустенита для эвтектоидной стали с наложенными на нее кривыми охлаждения

V₁<V₂<V₃<V₄<V₅;

V_к – критическая скорость закалки,

t_min – температура минимальной устойчивости переохлажденного аустенита.

τ_min – время минимальной устойчивости А-та, П - перлит, С – сорбит, Т – троостит.

При непрерывном охлаждении аустенит переохлаждается ниже А_r1 и распад его протекает в интервале температур (рис.4.3).

Чем больше скорость охлаждения и ниже температура распада А-та, тем дисперснее образующаяся феррито – цементитная структура, подобно тому, как это наблюдалось при изотермическом распаде А-та.

Следовательно, при небольшой скорости охлаждения V₁ образовался перлит (П), при большей V₂ – сорбит (С) и еще большей V₃ – троостит (Т).

При более высоких скоростях охлаждения распад всего А-та не успевает пройти при высоких температурах с образованием Ф - Fe₃C – ой смеси, часть его переохлаждается до точки Мн и превращается в мартенсит.

Структура в этом случае – М+Т (кривая V₄).

При очень большой скорости охлаждения весь А-нит переохлаждается до точки Мн и превращается в мартенсит (кривая V₅).

Минимальная скорость охлаждения (кривая V_к), при которой весь А-нит переохлаждается до точки Мн и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки. Критическая скорость закалки неодинакова для разных сталей и зависит от устойчивости аустенита. Чем больше устойчивость, тем меньше V_к, следовательно, на диаграмме изотермического распада А-та линии превращений расположены правее.

Мартенсит и остаточный А-нит являются неравновесными фазами. переход стали в более устойчивое состояние должно сопровождаться распадом М и остаточного А-та с образованием Ф - Fe₃C-й структуры. Распад твердого раствора носит диффузионный характер, поэтому скорость его протекания в основном определяется температурой нагрева. Нагрев закаленной стали до t<А_С1 называется отпуском.

Распад мартенсита (первое превращение при отпуске).

Ниже 60…80 ^оС распад М и А протекает с малой скоростью и в небольшой степени. В интервале 80…200 ^оС распад М идет достаточно интенсивно, из α – раствора (мартенсита) выделяется С, при этом образуются дисперсные частицы карбида Fе. При низких температурах отпуска в мартенсите средне- и высокоуглеродистой стали образуется Є – карбид с гексагональной решеткой (вероятно, Fе₂С), а в мартенсите низкоуглеродистой стали - цементит Fe₃C.

Структура, получающаяся в результате отпуска при t<350^о, называется мартенситом отпуска. Он представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α – железе, в котором присутствуют дисперсные кристаллы карбидов, имеющих форму пластин.

Превращение остаточного аустенита (второе превращение при отпуске).

При 200…350 ^оС происходит превращение остаточного А-та в структуру, аналогичную образующейся при распаде М при тех же температурах и продолжительности нагрева. Эта структура – нижний бейнит.

Третье превращение. При 350…450 ^оС происходит полное завершение процесса выделения углерода из α – раствора (мартенсита) и соответственно уменьшение плотности дефектов строения в этой фазе. Кроме того, происходит рост частиц карбидов.

Троостит отпуска – кристаллы α - твердого раствора и находящиеся в них мелкодисперсные частицы цементита.

Коагуляция карбидов (четвертое превращение при отпуске).

При температурах более 450 ^оС резко уменьшаются плотность дефектов строения в α – фазе, а также рост (коагуляция) и сфероидизация карбидов. Тонкопластичные выделения карбидов приобретают округлую форму (сфероидизация) и одновременно укрупняются (коагуляция).

Вследствие коагуляции карбидов очень тонкая феррито-цементитная структура – троостит отпуска – при 500…600 ^оС превращается в структуру, отличающуюся более крупными частицами карбидов, расположенными в феррите; ее называют сорбит отпуска.