Закалка ( превращения в стали при охлаждении)

Закалка – это нагрев стали до аустенитного состояния, выдержка и последующее ускоренное охлаждение со скоростью V ³ V_кр ( V_кр – «критическая скорость закалки», см. ниже) с целью максимального повышения твердости и прочности. Подчеркнем сразу, что эффективное упрочнение стали при закалке обусловлено явлением полиморфизма этих сплавов (см. тему 2.1.1).

Обсудим последовательность структурных превращений, происходящих в стали в процессе закалки, на примере эвтектоидной стали (0,8 %С). Для удобства обсуждения на рис. 2.2.1 показан «стальной угол» диаграммы «железо – цементит» (ср. с рис. 2.1.1).

Исходная структура эвтектоидной стали - перлит[18] - эвтектоидная смесь кристаллов феррита и цементита (см. рис. 2.1.2), в сокращенной записи – П(Ф+Ц).

Рис. 2.2.1. «Стальной угол» диаграммы «железо–цементит»

А₁, А₃, А_сm – общепринятые обозначения критических линий

При нагреве сталей под закалку в них происходят превращения, обратные тем, которые были рассмотрены в теме 2.1.1. Так эвтектоидная сталь при t > А₁ (727 ^оС) приобретает однофазную аустенитную структуру, т.е.

П (Ф + Ц) А.

В теме 2.1.1 отмечалось, что при последующем охлаждении аустенит при t ≤ А₁, становится неустойчивым и распадается на смесь феррита и цементита, т.е.

А (0,8 %С) Ф (0,02 %С) + Ц (6,67 %С). (2.2.1)

Время начала и конца этого распада дается «диаграммой изотермического превращения переохлажденного аустенита («С – диаграмма») – рис. 2.2.2.

Левая С – образная линия на рис. 2.2.2 характеризует время (τ) начала, а правая – конца распада аустенита на смесь Ф и Ц (2.2.1) в зависимости от температуры изотермической выдержки. Для удобства обозначим эти линии буквами «н» и «к» соответственно.

 

 

Рис. 2.2.2. Диаграмма изотермического превращения

переохлажденного аустенита эвтектоидной стали[19] (а) и характеристики перлитных структур (б)

Слева от линии «н» аустенит может какое-то время сохраняться в переохлажденном (относительно критической температуры А₁=727^оС), а значит неравновесном, неустойчивом состоянии. Правее линии «к» распад аустенита (2.2.1) завершается.

Степень дисперсности (величина, обратная размеру зерна) образующейся в результате ферритоцементитной смеси (Ф+Ц) зависит от конкретной температуры t, при которой происходит распад переохлажденного аустенита, или, что то же – от степени его переохлаждения

∆ t = А₁ – t. (2.2.2)

С понижением температуры распада (увеличением ∆ t) быстро уменьшается скорость диффузионного роста образующихся кристаллов, т.е. происходит измельчение ферритоцементитной смеси, соответственно возрастает ее твердость.

В связи с этим принято различать три структуры перлитного типа: перлит, сорбит, троостит [20]. Они имеют одинаковое строение (это смеси пластинок Ф и Ц), но отличаются степенью дисперсности, а значит и твердостью.

На рис. 2.2.2,б приведены усредненные характеристики (d - средняя толщина пластинок Ф и Ц, HRC_э - твердость) перлитных структур в эвтектоидной стали.

Все эти структуры получаются в результате превращения перлитного типа (2.2.1). Его протекание вызвано полиморфизмом железа и сплавов на его основе – сталей. Характерной чертой этого превращения является его диффузионный механизм (благодаря высоким температурам ≈ 500…720^оС и достаточно длительным временным выдержкам). Это видно из реакции (2.2.1), где несовпадение химического состава участвующих фаз означает активную диффузию атомов углерода.

На практике различные типы перлитных структур получают обычно не при изотермических выдержках, а при непрерывном охлаждении стали из аустенитного состояния с различными скоростями[21]. Степень дисперсности образующихся при этом феррито-цементитных смесей (и соответственно, тип перлитной структуры) зависит от величины скорости охлаждения V. Эта зависимость отчетливо проявляется, когда на С – диаграмму наносят кривые охлаждения t=f(τ), наклон которых характеризует величину скорости охлаждения, так как

V = . (2.2.3)

Очевидно, что на рис. 2.2.3 V₁<V₂<V₃< V₄. Из рисунка следует, что чем больше скорость охлаждения, тем при более низкой температуре происходит распад переохлажденного аустенита, тем более дисперсной и твердой получается перлитная структура: при скорости V₁ – перлит, V₂ – сорбит, V₃ – троостит.

Видно также, что при скорости V ≥ V₄ аустенит не успевает превратиться ни в одну из перлитных структур, так как при таком быстром охлаждении «проскакивает» область высоких температур, в результате его диффузионный распад на феррит и цементит становится невозможным.

Рис.2.2.3. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита (эвтектоидная сталь) с нанесенными на нее скоростями охлаждения

t _m и t_m – температура и времи минимальной устойчивости переохлажденного аустенита

Минимальная скорость охлаждения, при которой не происходит распада аустенита на смесь Ф+Ц, называется критической скоростью закалки V_кр (она характеризуется наклоном линии V, касательной к кривой начала распада А на Ф и Ц, т.е. V_кр = V₄).

Таким образом при охлаждении стали со скоростью V ≥ V_кр (закалке, см. начало темы 2.2.1) аустенит переохлаждается до таких низких температур, где диффузия атомов практически отсутствует. Если бы стали не обладали полиморфизмом, закалка приводила бы к сохранению аустенитной структуры[22]. Наличие полиморфизма вызывает γ→α превращение аустенита, но, в отличие от перлитного превращения, бездиффузионным мартенситным путем при охлаждении в интервале М_н…М_к (температуры начала и конца мартенситного превращения соответственно, см. рис. 2.2.3).

Равновесная α–фаза в сталях – это феррит – твердый раствор углерода в α–железе, содержащий ≤0,02 %С[23]. Из-за бездиффузионного характера мартенситного превращения содержание углерода в исходной γ–фазе (аустените) и конечной α–фазе должно быть одинаково. Но, так как в аустените углерода гораздо больше (0,8 %), в результате закалки α–фаза оказывается пересыщенной углеродом; она называется мартенситом.

Таким образом, мартенсит, как и феррит – твердый раствор углерода в α–Fe, но в отличие от феррита он пересыщен углеродом.

Вследствие этого пересыщения решетка мартенсита становится тетрагональной (в отличие от ОЦК решетки феррита – рис. 2.2.4), она характеризуется двумя параметрами с и а; очевидно, что степень тетрагональности > 1.

 

 

Рис. 2.2.4. Кристаллические решетки феррита и мартенсита

 

Образование мартенсита с тетрагональной решеткой приводит к появлению сильных внутренних напряжений, резкому повышению плотности дислокаций и степени дисперсности структуры, соответственно значительно возрастает твердость и прочность (вспомни пути повышения прочности, раздел 1.2.2 и 1.2.3). Очевидно, что действие перечисленных упрочняющих факторов тем эффективнее, чем больше углерода в стали, так как возрастает степень пересыщения решетки мартенсита углеродом, увеличиваются степень тетрагональности и внутренние напряжения. Поэтому твердость закаленной стали (мартенсита) растет с увеличением содержания в ней углерода – рис. 2.2.5.

Рис. 2.2.5. Влияние содержания углерода на твердость стали в закаленном и отожженном состояниях. Для сравнения наряду с твердостью мартенсита (М) приведены значения твердости перлита (П), сорбита (С), троостита (Т) эвтектоидной стали

 

На этом же рисунке для сравнения приведены твердости перлитных структур в эвтектоидной стали (из данных рис. 2.2.2,б), а также зависимость твердости сталей в отожженном состоянии от содержания углерода (из рис. 2.1.3).

Из рис. 2.2.5 отчетливо видно, что:

1) степень упрочнения стали в результате закалки (характеризуется разницей между двумя зависимостями HRC_э = f (С)) возрастает пропорционально содержанию в ней углерода;

2) мартенсит – самая твердая из всех структур, которые могут быть получены из переохлажденного аустенита. Это основное достоинство мартенсита (закаленной стали), но, к сожалению, он обладает повышенной хрупкостью, которая растет с увеличением содержания углерода в стали. Поэтому после закалки на мартенсит стали необходимо подвергать отпуску, главная цель которого повышение пластичности и ударной вязкости закаленной стали.