Лекция - фазовые превращения в стали

Лекция - ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ

  (ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ)

Часть 2

Перлитное превращение А®П (аустенита в перлит – II превращение)

Основная особенность протекания перлитного превращения заключается в том, что из одной фазы – аустенит с содержанием углерода 0,8% (А_0,8) образуется две с резко различным содержанием углерода – феррит (0,02%С) и цементит (6,67%).

А_0,8%С®Ф_0,02%С+Ц_6,67%С.

Перлитное превращение – типично кристаллизационный процесс, происходит путем образования центров кристаллизации или зародышей на границах аустенитных зерен, в местах концентрационных флуктуаций и дальнейшего их диффузионного роста до взаимного соприкосновения.

Превращение А®П совершается путем совместно поочередного образования и роста пластинок Ф и Ц. В результате из одного зародыша вырастает колония – зерно перлита, где пластины Ф и Ц имеют одинаковое направление. Из других зародышей образуются другие колонии перлита – на площади одного аустенитного зерна возникает несколько перлитных зерен.

 

  Продукты перлитного превращения

С увеличением степени переохлаждения размер критического зародыша уменьшается и образующаяся феррито-цементитная структура становится тоньше, т. е. уменьшается величина межпластинчатого расстояния (D). Межпластинчатое расстояние – средняя суммарная толщина соседних пластинок феррита и цементита, определяющая дисперсность перлита: чем толщина пластинок меньше, тем дисперсность выше. Пластинчатые структуры эвтектоидного типа определяют как перлит, сорбит и троостит или соответственно грубо-, средне- и тонкопластинчатый перлит (рис.12).

Сорбит и троостит, образующиеся при распаде переохлажденного аустенита, называют также сорбитом и трооститом закалки, они, как и перлит, являются феррито-цементитной смесью и отличаются друг от друга лишь степенью дисперсности.

Рисунок 12 – Схематическое изображение продуктов перлитного превращения: а) перлит; б) сорбит; в) троостит

 

Характеристики и свойства продуктов перлитного превращения приведены в табл. 1. Из табл. 1 видно, что с увеличением степени дисперсности (уменьшением межпластинчатого расстояния) феррито-цементитной структуры возрастает твердость и соответственно прочность.

 

Таблица 1 – Продукты перлитного превращения

Интервал температур, ° С	Структура	Межпластинчатое расстояние, мкм	Твердость, HRC	Средняя твердость, HRC	Вид под микроскопом
A1-650	Перлит	1-0,6	18-25	20	пластины различимы при увеличении ×500
650-600	Cорбит (С)	0,5-0,25	25-35	30	пластины различимы только при максимальном оптическом увеличении ×2000
600-500	троостит (Т)	0,25-0,1	35-45	40	темная плотная сильно травящаяся структура, пластины различимы только под электронным микроскопом (×15000)

Относительное удлинение и сужение наивысшие у сорбита при переходе к трооститу пластичность уменьшается.

Следует отметить, что разделение феррито-цементитной структуры на перлит, сорбит и троостит условно, и между этими структурами на С- кривой нет четкой границы.

Таким образом, структурными характеристиками перлита являются:

1) диаметр перлитной колонии (определяется длиной пластин Ф и Ц), зависит от размера аустенитного зерна, то есть от температуры нагрева и от числа зародышей, из которых растут колонии, которые, в свою очередь, определяются степенью переохлаждения или скоростью охлаждения;

2) дисперсность зависит только от степени переохлаждения или скорости охлаждения.

 

Мартенситное превращение(А®М, III превращение)

Мартенситное превращение развивается в условиях низких температур при больших степенях переохлаждения, когда диффузионные процессы полностью подавлены.

Рисунок 13 – Игольчатый характер мартенсита (х500)

А                                                     б

Рисунок 14 – Влияние содержания углерода (а) и легирующих элементов (б) на положение точек М_н и М_к

 

Мартенситное превращение развивается только в условиях непрерывного охлаждения. Если охлаждение прекратить (остановить в интервале температур М_н - М_к), то мартенситное превращение останавливается. В этом его важнейшее отличие от перлитного превращения, которое может развиваться как при непрерывном охлаждении, так и в изотермических условиях.

Количество мартенсита, образующегося в интервале М_н-М_к, пропорционально степени переохлаждения относительно температуры М_н, то есть чем ниже температура, тем больше образуется мартенсита. При этом его количество возрастает в результате образования все новых и новых кристаллов, а не вследствие роста уже возникших. По достижении точки М_к превращение аустенита в мартенсит прекращается.

Превращение аустенита в мартенсит не протекает до конца даже при охлаждении до температуры соответствующей М_к – в структуре стали всегда остается некоторое количество аустенита остаточного (А_ост).

Остаточный аустенит – это аустенит, сохраняющийся в структуре при охлаждении до температуры ниже М_к. На практике остаточным считается аустенит, присутствующий в стали после закалки. При образовании игл мартенсита образуются изолированные объемы аустенита, отсеченные иглами со всех сторон (рис.15) и испытывающие всестороннее сжатие, так как образование мартенсита происходит с увеличением удельного объема.

Для того чтобы аустенит, расположенный в этих участках, превратился в мартенсит, также требуется увеличение объема и соответственно преодоление упругих напряжений сжатия.

При некотором их уровне они не могут быть преодолены, то есть превращение А®М в этих участках становится невозможным.

Факторы, влияющие на количество остаточного аустенита.

1. Содержание углерода и легирующих элементов:

- в доэвтектоидных углеродистых сталях количество А_ост составляет 2-3% (под микроскопом не различимо);

- в заэвтектоидных с содержанием углерода 0,8-1,2% количество А_ост=10%;

- в заэвтектоидных с содержанием углерода 1,3-1,5% количество А_ост=20%;

- в легированных сталях - может доходить до 50% (например, в стали Р18 количество А_ост=30-50%).

При больших количествах А_ост (>20%) становится различим под микроскопом и представляет собой светлые участки, отсеченные иглами (рис.16).

2. Скорость охлаждения – при медленном охлаждении количество А_ост незначительно возрастает.

3. Гомогенность аустенита – повышение однородности аустенита приводит к увеличению в окончательной структуре количества А_ост.

4. Величина зерна аустенита – с увеличением размера зерна количество А_ост возрастает.

Таблица 2 - Продукты бейнитного превращения

Интервал температур, ° С	Структура	Твердость, HRC	Вид под микроскопом
~550-350	верхний бейнит (ВБ)	~45	темное перистое строение
350-Мн	нижний бейнит (НБ)	~55	темное игольчатое строение с отсеченны- ми светлыми участками аустенита (gобог)

Из табл.2 видно, что твердость верхнего бейнита близка к твердости троостита, однако его пластичность значительно ниже, чем у троостита. В целом, верхний бейнит обладает низким комплексом механических свойств, что обусловлено грубым строением карбидной фазы и ее неблагоприятным расположением – по границам игл a¢-фазы.

Для структуры нижнего бейнита характерно:

- повышенная плотность дислокаций;

- высокая дисперсность карбидной фазы и равномерное ее распределение по всей площади иглы a¢-фазы, а не только по ее границам.

Последнее обеспечивает высокое сопротивление движению дислокаций, в результате твердость, прочность и упругие свойства повышаются. При этом сохраняется высокая вязкость и пластичность за счет благоприятного равномерного распределения карбидной фазы.

Таким образом, нижний бейнит имеет высокий комплекс механических свойств и является благоприятной структурой для широкого спектра изделий (например, для упругих элементов и инструмента, работающего в условиях ударных нагрузок). Структуру нижнего бейнита получают в результате изотермической закалки.

Лекция - ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ

  (ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ)

Часть 2

Перлитное превращение А®П (аустенита в перлит – II превращение)

Основная особенность протекания перлитного превращения заключается в том, что из одной фазы – аустенит с содержанием углерода 0,8% (А_0,8) образуется две с резко различным содержанием углерода – феррит (0,02%С) и цементит (6,67%).

А_0,8%С®Ф_0,02%С+Ц_6,67%С.

Перлитное превращение – типично кристаллизационный процесс, происходит путем образования центров кристаллизации или зародышей на границах аустенитных зерен, в местах концентрационных флуктуаций и дальнейшего их диффузионного роста до взаимного соприкосновения.

Превращение А®П совершается путем совместно поочередного образования и роста пластинок Ф и Ц. В результате из одного зародыша вырастает колония – зерно перлита, где пластины Ф и Ц имеют одинаковое направление. Из других зародышей образуются другие колонии перлита – на площади одного аустенитного зерна возникает несколько перлитных зерен.

 

  Продукты перлитного превращения

С увеличением степени переохлаждения размер критического зародыша уменьшается и образующаяся феррито-цементитная структура становится тоньше, т. е. уменьшается величина межпластинчатого расстояния (D). Межпластинчатое расстояние – средняя суммарная толщина соседних пластинок феррита и цементита, определяющая дисперсность перлита: чем толщина пластинок меньше, тем дисперсность выше. Пластинчатые структуры эвтектоидного типа определяют как перлит, сорбит и троостит или соответственно грубо-, средне- и тонкопластинчатый перлит (рис.12).

Сорбит и троостит, образующиеся при распаде переохлажденного аустенита, называют также сорбитом и трооститом закалки, они, как и перлит, являются феррито-цементитной смесью и отличаются друг от друга лишь степенью дисперсности.

Рисунок 12 – Схематическое изображение продуктов перлитного превращения: а) перлит; б) сорбит; в) троостит

 

Характеристики и свойства продуктов перлитного превращения приведены в табл. 1. Из табл. 1 видно, что с увеличением степени дисперсности (уменьшением межпластинчатого расстояния) феррито-цементитной структуры возрастает твердость и соответственно прочность.

 

Таблица 1 – Продукты перлитного превращения

Интервал температур, ° С	Структура	Межпластинчатое расстояние, мкм	Твердость, HRC	Средняя твердость, HRC	Вид под микроскопом
A1-650	Перлит	1-0,6	18-25	20	пластины различимы при увеличении ×500
650-600	Cорбит (С)	0,5-0,25	25-35	30	пластины различимы только при максимальном оптическом увеличении ×2000
600-500	троостит (Т)	0,25-0,1	35-45	40	темная плотная сильно травящаяся структура, пластины различимы только под электронным микроскопом (×15000)

Относительное удлинение и сужение наивысшие у сорбита при переходе к трооститу пластичность уменьшается.

Следует отметить, что разделение феррито-цементитной структуры на перлит, сорбит и троостит условно, и между этими структурами на С- кривой нет четкой границы.

Таким образом, структурными характеристиками перлита являются:

1) диаметр перлитной колонии (определяется длиной пластин Ф и Ц), зависит от размера аустенитного зерна, то есть от температуры нагрева и от числа зародышей, из которых растут колонии, которые, в свою очередь, определяются степенью переохлаждения или скоростью охлаждения;

2) дисперсность зависит только от степени переохлаждения или скорости охлаждения.

 

Мартенситное превращение(А®М, III превращение)

Мартенситное превращение развивается в условиях низких температур при больших степенях переохлаждения, когда диффузионные процессы полностью подавлены.