Исходная неупорядоченная структура

 

В практике термической обработки конструкционных и ин­струментальных сталей наиболее часто нагреву для аустенитизации подвергается сталь, имеющая исходную кристал­лографически неупорядочен­ную структуру ферритокарбидной смеси (феррито-перлитная, перлитная, перлит­ная с избыточными карби­дами). Схема неупорядочен­ного (нормального) меха­низма образования аустени­та представлена на рис. 11. При нагреве стали выше критических точек происхо­дит полиморфное превраще­ние, при этом, как полагают многие ученые, зародыши аустенита всегда образуются по сдви­говому механизму, но этот процесс совпадает с рекри­сталлизацией наклепанного при фазовом превращении аустенита.

Поэтому при переходе через критическую точку образуется мелкое зерно аустенита. Процессы фазового перехода и рекристаллизации при таком механизме совпа­дают. Дальнейший нагрев в аустенитной области будет приводить к росту зерна аустенита (собирательной рекри­сталлизации).

Необходимо отметить, что процесс фазовой перекристаллизации при неупорядоченной исходной структуре ферритокарбидной смеси в углеродистых и легированных сталях практически мало различается. Образовавшееся зерно аустенита во всех сталях мелкое. Правда, чем выше скорость нагрева, тем мельче получает­ся зерно, так как скорость образования зародышей новой фазы возрастает быстрее, чем скорость их роста. Сущест­венное различие между углеродистой и легированной сталью проявляется при повышении температуры в аусте­нитной области, когда происходит рост зерен аустенита, их собирательная рекристаллизация.

Исходная упорядоченная структура. Структурная наслед­ственность в стали

 

Рассматриваемый случай имеет особо важное значение для легированных сталей, так как иногда они подвергаются термической обработке, имея исходную крупнозернистую упорядоченную структуру (мартенсит и бейнит), полученную в результате закалки при охлаждении про­ката, поковок, отливок, сварных соединений. Нагрев стали с исходной структурой мартенсита или бейнита — нередкое явление также при повторной закалке перегретых легиро­ванных сталей. Механизм фазовой перекристаллизации при нагреве исходно упорядоченной структуры заметно сложнее, чем «нормальный» механизм перекристаллизации.

При определенных условиях сталь теряет способность к перекристаллизации при a ® g -превращении. Нагрев крупнозернистой упорядоченной структуры выше Ас₃ мо­жет вызвать об-

 

 

Рис.11 Схема перекристаллизации стали с исходной неупорядоченной структурой при нагреве и охлаждении

 

 

разование зерен аустенита той же формы, размера и ориентации, что и исходное зерно стали, т. е. происходит восстановление исходного зерна. Такое явле­ние называют структурной наследственно­стью в стали. Изучению этого сложного явления посвя­щены фундаментальные работы В. Д. Садовского с сотрудниками.

Чем более легирована сталь, тем шире диапазон ско­ростей нагрева, при которых проявляется структурная на­следственность в стали. Легирование влияет на критичес­кую скорость нагрева, при которой наблюдается восста­новление исходного крупного зерна при повторном нагреве выше Ас₃ и не происходит образования мелкозернистого аустенита. Для легированной стали на рис.12 приведена схема, упрощенно показывающая процесс формирования зерна при нагреве и охлаждении стали с исходной упоря­доченной структурой.

При достаточно медленном (1—2°С/мин) нагреве мно­гих сталей аустенит образуется также кристаллографичес­ки упорядоченным механизмом, в результате чего и при таком нагреве наблюдается восстановление зерна исход­ной структуры, т.е. резко выраженная структурная наслед­ственность. Увеличение скорости нагрева ведет к наруше­нию упорядоченности в процессе формирования (роста) аустенитной структуры и измельчению зерна. Образовавшийся при упорядоченном a® g - переходе аустенит фазово наклепан. С повышением температуры нагрева выше Т_р происходит его рекристаллизация, и только тогда зерно аустенита измельчается.

При промежуточных умеренных скоростях нагрева (100—150°С/мин), когда успевает пройти полный распад мартенсита до начала a®g - перехода, структурная наследственность стали не проявляется. При этом a®g-переход совпадает с рекристаллизацией и зерно сразу же получается мелким, т. е. реализуется нормальный неупорядоченный механизм перекристаллизации.

В работах Н. Н.Липчина с сотрудниками отмечается, что специальные карбиды хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и титана, выделяясь при нагреве по границам мартенситных кристаллов, задерживают процесс рекристаллизации до температуры растворения карбидов в аустените.

 

 

Время

Рис. 12 - Схема перекристаллизации стали с исходной упорядоченной структу­рой при нагреве и охлаждении

 

 

Структурная наследственность хорошо проявляется в конструкционных сталях типа ЗОХГСА, 37ХНЗА, 20Х2Н4А и т. п. Наиболее вероятно проявление структурной наслед­ственности при термической обработке предварительно пе­регретых сталей, содержащих добавки сильных карбидообразующих элементов — титана, ванадия, ниобия. Одна­ко необходимо оговориться, что не все легированные стали склонны к этому явлению при медленном нагреве. Быст­рый нагрев, приводящий к структурной наследственности в конструкционных легированных сталях, может реализо­ваться на практике при электронагреве или нагреве тон­ких изделий в соляных ваннах с последующей кратковре­менной выдержкой. Следует подчеркнуть, что отпуск пе­ред окончательным быстрым нагревом под закалку исключает проявление структурной наследственности. При медленном нагреве влияния предварительного отпуска, ес­тественно, не наблюдается, так как он протекает в процес­се самого нагрева под закалку.

В высоколегированных сталях (быстрорежущие, мартенситностареющие, нержавеющие мартенситные стали и др.) структурная наследственность проявляется в широком диапазоне скоростей нагрева, т. е. не только при быстром и медленном нагреве, но и при промежуточных уме­ренных скоростях нагрева. Следовательно, в таких сталях структурная наследственность наблюдается в обычно при­нятых на практике условиях нагрева, так как восстанов­ленное зерно аустенита длительное время не рекристаллизуется. Так, при повторном нагреве под закалку быстроре­жущей стали независимо от скорости нагрева при аустенитизации, происходит восстановление исходного зерна и наблюдается нафталинистый излом. В мартенситностареющих сталях восстановление крупного зерна происходит при обычной технологии их термической обработки.

Рост зерна аустенита

С повышением температуры и увеличением времени вы­держки в аустенитной области происходит рост зерна аусте­нита. Движущей силой собирательной рекристаллизации аустенита является стремление системы понизить поверх­ностную энергию путем уменьшения протяженности гра­ниц зерен. В подавляющем большинстве сталей необходи­мо получить мелкое зерно аустенита, так как чем меньше размер зерна, тем выше прочность, сопротивление хрупко­му разрушению и ряд других свойств сталей. В некоторых сталях (например, в магнитномягких трансформаторных сталях) стремятся получить, наоборот, крупное зерно. Легирование существенно влияет на размер зерна аустенита.

Карбидо- и нитридообразующие элементы (Сr, Мо, W, V, Nb, Тi, Zr) тормозят рост зерна аустенита при нагреве, причем тем сильнее, чем более стойкую фазу образует элемент. Алюминий, связанный в нитрид, также сильно тормозит рост зерна. Такое влияние карбидо- или нитридообразующих элементов объясняется наличием нерастворен­ных в аустените дисперсных карбидов и нитридов, оказывающих барьерное действие на мигрирующую границу зерен. Растворение и коагуляция дисперсных фаз в аустените устраняют или снимают эффект барьерного дей­ствия частиц. Максимальный размер зерна аустенита, зависит от размера частиц и их количества. Следовательно, чем больше объемная доля нераство­ренных частиц сохраняется в стали при нагреве и меньше их размер, тем более мелкозернистым получается аустенит. Для получения мелкозернистой стали в широком диа­пазоне температур нагрева наиболее эффективно легиро­вание стали двумя или более карбидо- или нитридообразующими элементами, имеющими различную температуру перехода соответствующих фаз в твердый раствор.

Необходимо отметить, что углерод, азот и алюминий,несвязанные в карбиды и нитриды, а находящиеся в твердом растворе — аустените, способствуют росту его зерна.

Также увеличивают склонность к росту зерна бор, марганец и кремний. Мнения о природе влияния перечисленных эле­ментов на увеличение склонности к росту зерна противо­речивы.