Файл: 1 Структурные превращения в сталях при термической.pdf

1 Структурные превращения в сталях при термической
обработке (ТО Основные структурные превращения в сталях при ТОВ сталях при проведении термической обработки могут присутствовать следующие структуры феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в железе цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом Fe
3
C; перлит (П) – эвтектоидная механическая смесь из одновременно образующихся Фи Ц аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в железе мартенсит (М) – пересыщенный твердый раствор углерода в железе. Рассмотрим основные превращения, которые могут протекать при термической обработки стали.
1. Превращение перлита в аустенит.
П → А (Fe

+ Fe
3
C → Fe

) Это превращение происходит при нагреве стали выше температуры А
1
На рисунке 12.1 представлены зависимости уровней свободной энергии основных структурных составляющих сталей (перлит, мартенсит, аустенит) от температуры. Из рисунка видно, что при нагреве стали выше А из трёх основных структур минимальной свободной энергией обладает аустенит. Поэтому, согласно принципу минимума свободной энергии, аустенитная структура будет являться энергетически более выгодной, и система будет стремиться перейти в это состояние (процесс I на рисунке 12.1). Более подробно этот процесс будет рассмотрен в п. 12.2.

2 Рисунок 12.1 – Зависимость свободной энергии аустенита (А, мартенсита Ми перлита (Пот температуры
2. Превращение аустенита в перлит. А → П (Fe

→ Fe

+ Fe
3
C) Это превращение (процесс II на рисунке 12.1) протекает, наоборот, при охлаждении стали ниже температуры А при относительно невысоких степенях переохлаждения. Более подробно этот процесс будет рассмотрен в п. 12.4.
3. Превращение аустенита в мартенсит. А → М (Fe

→ Fe

) Это превращение (процесс III на рисунке 12.1) наблюдается при охлаждении сталей ниже температуры Т – температуры метастабильного равновесия системы аустенит – мартенсит. При температуре Т более устойчивой фазой является перлит – его уровень свободной энергии п ниже, чем для мартенсита (м. Однако работа, необходимая для образования мартенсита из аустенита, меньше, чем для образования перлита (разность

3 уровней свободных энергий аустенита и мартенсита существенно меньше, чем разность уровней свободных энергий аустенита и перлита, поэтому в данных условиях будет иметь место превращение аустенита в мартенсит. Образование перлита из аустенита ниже температуры Т может произойти только в результате превращения аустенита в мартенсит с последующим превращением мартенсита в перлит. В этом случае аустенитно-мартенситное превращение является промежуточным в процессе перехода аустенита в перлит.
4. Превращение мартенсита в перлит (в ферритокарбидную смесь. М → П (Fe

→ Fe

+ Fe
3
C) Теоретически, это превращение (процесс IV на рисунке 12.1) должно проходить при любых температурах, т.к. при любой температуре уровень свободной энергии перлита п ниже, чем уровень свободной энергии мартенсита м (см. рисунок 12.1). Однако, при низких температурах скорость диффузионных процессов, включая и процессы структурно-фазовых превращений, оказывается очень низкой из-за низкой диффузионной подвижности атомов. Поэтому, в реальных условиях, протекание данного превращения происходит, как правило, лишь при повышенных температурах.
12.2 Образование аустенита из перлита при нагреве При нагреве стали в равновесных условиях превращение перлита в аустенит будет происходить в полном соответствии с диаграммой железо – цементит - при температуре А (линия PSK). В реальных условиях нагрева превращение начинается при более высокой температуре по сравнению с равновесной температурой А (рисунок 12.2).

4 Рисунок 12.2 – Изотермическая диаграмма превращения перлита в аустенит сталь с содержанием углерода 0,86%) Из рисунка 12.2 видно, что в реальных условиях превращение перлита в аустенит при нагреве происходит не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур. Температурно-временной интервал превращения зависит от скорости нагрева – при увеличении скорости нагрева превращение происходит при более высоких температурах (интервал a”b” по сравнению с интервалом a’b’). Превращение состоит из двух одновременно протекающих процессов полиморфный

→

переход (превращение твердого раствора углерода в железе с ОЦК-решеткой (феррита) в твердый раствор углерода в железе с ГЦК-решеткой (аустенит) растворение цементита в аустените. Зарождение зерен аустенита при превращении перлита в аустенит происходит на границе раздела феррита и цементита (рисунок 12.3). Водном перлитном зерне зарождается всегда несколько аустенитных зерен. Поэтому образовавшийся в результате превращения аустенит неоднороден по химическому составу даже в объеме одного зерна. В тех местах, где до превращения были пластинки цементита, содержание углерода больше, чем в тех местах, где были участки феррита.

5 Рисунок 12.3 – Стадии превращения перлита в аустенит Для выравнивания химического состава аустенитных зерен гомогенизации аустенита) необходимо при нагреве не только достичь температуры окончания превращения, но перегреть выше этой температуры либо дать выдержку при этой температуре. Скорость гомогенизации в значительной степени определяется исходной структурой стали – степенью дисперсности цементита и его формой. Чем мельче частицы цементита и, следовательно, больше их суммарная поверхность, тем быстрее происходит процесс гомогенизации.
12.3 Рост аустенитного зерна при нагреве Размер зерен аустенита непосредственно после протекания превращения характеризуется величиной начального зерна. Дальнейший нагрев стали или выдержка по окончании превращения вызывает рост аустенитных зерен происходит собирательная рекристаллизация. Рост зерна – это самопроизвольный процесс, так как при этом уменьшается суммарная поверхностная энергия границ зерен. При последующем охлаждении аустенитной структуры размер зерна перлита будет примерно равен размеру зерна аустенита, существовавшего при высоких температурах. Размер зерна встали, полученный в результате той или иной термической обработки, называется действительным зерном. Размер действительного зерна встали напрямую зависит от размера зерна аустенита, существовавшего при нагреве.

6 Различают два типа сталей наследственно мелкозернистую и наследственно крупнозернистую. Первая характеризуется малой склонностью к росту зерна аустенита, вторая – повышенной склонностью. На рисунке 12.4 показана схема роста аустенитного зерна в наследственно крупнозернистой (К) и мелкозернистой (М) сталях при увеличении температуры нагрева. Рисунок 12.4 – Схема роста зерна в наследственно крупнозернистой (К) и мелкозернистой (М) сталях В структуре наследственно мелкозернистой стали содержатся частицы карбидов и нитридов, которые, располагаясь по границам зерен, сдерживают их рост. Из рисунка видно, что зерно аустенита в мелкозернистой стали не растет до температур С. При нагреве выше этих температур, частицы карбидов начинают растворяться, факторы, препятствующие росту зерна, устраняются, и зерно начинает быстро расти. У наследственно крупнозернистой стали ничто не препятствует росту зерна при нагреве, который и начинается вскоре после перехода через критическую точку А
с1
При температурах, немного больших, чем Ас, зерна аустенита у наследственно крупнозернистой стали больше, чему наследственно мелкозернистой, а при температурах, значительно превышающих Асу наследственно мелкозернистых сталей зерно может оказаться даже больше, чему наследственно крупнозернистых.
Аустенитные зерна растут только при нагреве (при последующем охлаждении они не уменьшаются обратно, поэтому максимальная температура нагрева стали в аустенитном состоянии определяет окончательный размер зерна. Действительный размер зерна влияет на свойства стали – укрупнение зерна мало влияет на статические механические свойства (твердость, предел прочности и др, но сильно снижает ударную вязкость (особенно при высокой твердости) и увеличивает склонность к закалочным трещинам.
12.4 Распад аустенита
12.4.1 Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита Для описания кинетики превращений переохлажденного аустенита используют экспериментально построенные диаграммы изотермического распада аустенита, те. диаграммы превращения, протекающего при постоянной температуре (см. рисунок 12.5). Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие стальные образцы нагревают в печи до температуры стабильного аустенитного состояния, а затем быстро переохлаждают до температур ниже Аи выдерживают при этих температурах до полного окончания распада аустенита (для примера на рисунке 12.5 показаны три температуры t
1
, и t
3
). Результаты исследования при постоянной температуре характеризует кривая, показывающая количество распавшегося аустенита в зависимости от времени (рисунок а. По результатам исследований при различных температурах строят диаграмму изотермического распада в координатах температура – время (рисунок б. Кривая 1 показывает точки начала

8 распада аустенита на феррито-цементитную смесь, а кривая 2 – конец превращения. Рисунок 12.5 – Построение диаграммы изотермического распада аустенита встали а – зависимость количества распавшегося аустенита от времени б – построенная диаграмма распада аустенита
1, 2 – кривые начала и окончания распада аустенита соответственно 3 – кривая, соответствующая распаду 50% аустенита В зависимости от степени переохлаждения аустенита при охлаждении различают три температурные области и механизма превращения
- перлитное превращение
- промежуточное превращение (бейнитное);
- мартенситное превращение. При малом переохлаждении аустенита происходит перлитное превращение – распад аустенита на феррито-цементитную смесь.

9 Температура при распаде аустенита в этом случае достаточно высокая, поэтому перлитное превращение идет по диффузионному механизму. При среднем переохлаждении аустенита (до температур ≈ С) диффузия атомов железа существенно замедляется, а атомы углерода при этой температуре все ещё обладают достаточной подвижностью. Внутри аустенита происходит перераспределение атомов углерода, в результате чего участки аустенита, обогащенные углеродом, превращаются в цементита обедненные углеродом – в феррит. При этом превращение в феррит происходит по сдвиговому механизму. Образующиеся при этом кристаллы имеют игольчатую форму и характеризуются повышенным (до 0.2%) содержанием углерода. Такая структура, состоящая из цементита и игольчатого феррита с повышенным содержанием углерода, называется бейнитом. При большом переохлаждении аустенита (до температуры ниже начала превращения аустенита в мартенсит Мн) диффузионные процессы полностью подавляются, и образование структуры, состоящей из феррита и цементита, становиться невозможным. В этом случае протекает бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит.
12.4.2 Перлитное превращение Перлитное превращение переохлажденного аустенита по своему механизму является диффузионным. При этом превращении аустенит распадается с образованием феррита и цементита, те. состоит из фаз, имеющих различную концентрацию углерода. Поэтому перлитное превращение сопровождается диффузией, перераспределением углерода. Скорость диффузии резко уменьшается с понижением температуры. Поэтому, увеличение переохлаждения, с одной стороны, увеличивает разность свободных энергий аустенита и перлита, что

10 ускоряет превращение, ас другой – вызывает уменьшение скорости диффузии углерода, что замедляет превращение. В первую очередь, при превращении образуется цементит. Его зародыши, как правило, образуются на границах зерен аустенита (рисунок
12.6). В результате роста частиц карбида прилегающий к ним объем аустенита обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфное превращение γ → α (аустенит в феррит. При этом кристаллики феррита зарождаются на границе с цементитом. Рисунок 12.6 – Схема возникновения и роста перлитного зерна
I – аустенит II – образование зародыша цементита на границе зерна аустенита III – образование пластин цементита и феррита, IV-VI – рост и образование новых пластин цементита и феррита (перлита) Продуктами диффузионного распада аустенита являются механические смеси феррита и цементита, имеющего форму пластинок, среди которых, в зависимости от расстояния между пластинками феррита и цементита, различают собственно перлит, сорбит и троостит (таблица 12.1). Таблица 12.1 – Сравнительная характеристика феррито-цементитных смесей Структура Температура образования,
0
C Твердость по Бринеллю
НВ, МПа Расстояние между пластинками фаз, мкм Перлит (П)
≈ 700 1800…2500 0,6...1,0 Сорбит (С)
≈ 600 2500…3500 0,25…0,3
Тростит (Т)
≈ 500 3500…4500 0,1…0,15

11 В зависимости от содержания углерода встали, перлитное превращение происходит с образованием различных структур. В эвтектоидной стали распад происходит при переохлаждении аустенита ниже температуры Аи заключается в непосредственном превращении А → П. В доэвтектоидной стали распад аустенита начинается при более высоких температурах (между Аи Ас выделения избыточного феррита, а затем при температуре ниже А происходит перлитное превращение А → П. В заэвтектоидных сталях началу перлитного превращения предшествует предварительное выделение избыточного цементита.
12.4.3 Мартенситное превращение в сталях Мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в железе. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в железе при Сне превышает 0,006%, то его содержание в мартенсите может быть таким же, как в исходном аустените, те. до 2,14%. Мартенсит имеет тетрагональную сильно искаженную кристаллическую решетку. Для мартенсита характерна определенная микроструктура. Кристаллы мартенсита представляют собой пластины (иглы, расположенные параллельно или пересекающиеся под определенными углами (60º и 120º) рисунок 12.7). Мартенситное превращение обладает двумя характерными особенностями, отличающими его от других превращений

Бездиффузионность – состав исходной фазы (аустенита) и конечной мартенсита) одинаковы при превращении происходит лишь перестройка кристаллической решетки. Ориентированность
– новая фаза мартенсит) закономерно ориентирована относительно старой (аустенита сдвиговый характер превращения приводит к образованию на поверхности микрорельефа.