Файл: Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ.pdf

раскисления стали и от наличия некоторых легирующих элементов.

В зависимости от скорости роста аустенитных зерен различают стали природно-крупнозернистые и природно-мелкозернистые.

Природно-крупнозернистыми называют стали, в которых по мере превышения температуры выше Аc1 или Аcт кристаллы аустенита быстро укрупняются. Это стали, раскислявшиеся в процессе выплавки ферросилицием и ферромарганцем.

Природно-мелкозернистыми называют стали, в которых при нагреве до 1000 - 1100 ° С кристаллы аустенита растут с малой скоростью. К таковым относятся стали, дополнительно раскислявшиеся алюминием, а также легированные стали, содержащие карбидообразующие элементы, особенно титан и ванадий. Предполагают, что тормозящее влияние на рост зерен оказывают частицы нитрида алюминия, которые, располагаясь по границам зерен, механически препятствуют собирательной рекристаллизации. При температуре, большей 1000 — 1100 ° С, нитрид алюминия распадается, и препятствия для роста исчезают.

Подобный механизм действия приписывается также карбидам титана и ванадия. Из карбидообразующих элементов лишь марганец не только не уменьшает, а даже несколько увеличивает скорость роста аустенитного зерна.

Природную зернистость сталей оценивают номерами (баллами) специально разработанной шкалы зернистости (ГОСТ 5639-82).

Стали, имеющие грубую крупнозернистую структуру вследствие высокотемпературных нагревов, называют перегретыми. Перегрев исправляют повторной аустенизацией с нагревом до более низкой температуры.

ПРЕВРАЩЕНИЯ АУСТЕНИТА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СТЕПЕНЯХ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ

Выше рассматривались фазовые превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении из аустенитного состояния (см. § 4.3).

Увеличивая скорость охлаждения стали или вводя в нее легирующие элементы, можно значительно повысить степень переохлаждения аустенита, т.е. понизить температуру его превращения. От степени переохлаждения аустенита зависят механизм и кинетика превращения и, соответственно, структура и свойства продуктов превращения.

В технологических процессах термической обработки распад аустенита происходит в условиях непрерывного охлаждения и иногда изотермически (при постоянной температуре).

Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяют на два типа: перлитное и промежуточное, или бейнитное1 (диффузионные); мартенситное2.

Кинетику диффузионных превращений удобнее изучать в изотермических условиях.

Перлитное превращение аустенита Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и ско-

обладает при температурах, близких к 550° С. Для эвтектоидной стали время устойчивости аустенита при 550 — 560 ° С составляет около 1 с. При повышении или понижении температуры относительно 550 ° С устойчивость аустенита возрастает. Так, при 700 ° С это время составляет около 10 с, а при

300 ° С — около 60 с.

Превращение аустенита при температурах в интервале Ат1 — 550 ° С называют перлитным, а превращение при температурах в интервале 550 ° С - Мн — промежуточным.

В интервале температур перлитного превращения в результате распада аустенита образуются пластинчатые структуры перлитного типа, т.е. структуры, образованные из кристаллов феррита и цементита. Перлитное превращение (рис. 6.13, а) вначале протекает медленно, затем скорость его увеличивается до постоянной величины; в конце превращения скорость постепенно убывает.

Строение перлитной структуры зависит от температуры превращения. С увеличением степени переохлаждения, в соответствии с общими законами кристаллизации (см. гл. 3), уменьшается размер образующихся кристаллов, т.е. возрастает дисперсность ферритно-цементитной смеси.

Дисперсность перлитных структур принято оценивать межпластиночным расстоянием, за которое принимают среднюю суммарную толщину соседних пластинок феррита (Ф) и цементита (Ц) (рис. 6.14). Если превращение происходит при температурах более высоких, чем 650 — 670 ° С, образуется сравнительно грубая смесь кристаллов феррита и цементита с

межпластиночным расстоянием (5 - 7) • 10 -7 м; такую смесь называют собственно перлитом. Превращение при 640 — 590 ° С дает межпласти-

ночное расстояние (3-4) • 10~ 7 м; такую перлитную структуру называют сорбитом6. При температуре превращения 580 —550 ° С межпластиночное расстояние уменьшается до (1-2) • 10 -7 м; такую структуру называют трооститом7.

Указанное деление перлитных структур условно, так как дисперсность

6 Структура названа в честь английского ученого Г. Сорби. о Структура названа в честь голланского ученого Р. Трооста.

смесей монотонно увеличивается с понижением температуры превращения. Центры кристаллизации перлитных колоний возникают преимуще-

ственно на границах зерен аустенита; при этом перлитные колонии растут во все стороны (см. рис. 6.14).

При перлитном превращении полиморфный переход γ —> α сопровождается перераспределением углерода. Для образования цементита, содержащего 6,69% С, необходимо перемещение атомов углерода на расстояния, значительно большие межатомных расстояний, так как среднее содержание углерода в твердом растворе до превращения гораздо меньше, чем в цементите.

Несмотря на то, что подвижность атомов железа и углерода с понижением температуры от точки Аr1 уменьшается, скорость перлитного превращения возрастает вплоть до 550 ° С. Это объясняется тем, что с увеличением степени переохлаждения, быстро возрастает число центров кристаллизации и соответственно уменьшаются расстояния, на которые должны переместиться атомы в процессе превращения.

С увеличением дисперсности структур перлитного типа возрастают прочность и твердость стали; лучшую пластичность и вязкость имеет структура сорбита.

Условно потому, что не только в эвтектоидной, но и в подавляющем большинстве сталей мартенситное превращение в изотермических условиях не развивается1.

Мартенситное превращение интенсивно протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур от Мн до Мк (рис. 6.15). Малейшая изотермическая выдержка в этом интервале температур приводит к стабилизации аустенита, т.е. превращение не доходит до конца, и кроме мартенсита в структуре наблюдается так называемый остаточный ау-стенит. Аустенит может оставаться в структуре также тогда, когда в углеродистой стали содержится больше 0,6 % С и охлаждение ведут только до 0° С (рис. 6.16). На рисунке линии начала и конца мартенситного превращения условно нанесены на «стальной участок» диаграммы Fе-F3С, а штриховая линия представляет собой геометрическое место точек tо - температур термодинамического равновесия двух фаз аустенита и мартенсита для сталей с различным содержанием углерода (рис. 6.17). Для получения мартенситной структуры аустенит углеродистых сталей необходимо очень быстро и непрерывно охлаждать, применяя для этого холодную (лучше соленую) воду. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы подавить возможные диффузионные процессы и образование перлитных и бейнитных структур.

Экспериментально построенные для всех сталей термокинетические диаграммы позволяют определить минимальную скорость охлаждения, называемую критической скоростью закалки υКр, при которой аустенит превращается только в мартенсит при температуре Мn и ниже1 (рис. 6.18). Термокинетические диаграммы имеют огромное значение для технологии термической обработки; они принципиально отличаются от диаграмм изотермического превращения аустенита тем, что строятся при условии

зовываться мартенсит 1— неравновесная фаза — пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fеа (рис. 6.19). Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали (~ 5000 м/с). Их росту препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита (рис. 6.20).

Г.В. Курдюмов дал классическое определение мартенситному превращению: «Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные». При этом перестройка решетки происходит по тем кристаллографическим плоскостям исходной модификации, которые по строению одинаковы, а по параметрам близки к определенным плоскостям кристаллической решетки образующей фазы, т.е. выполняется принцип структурного и размерного соответствия (рис. 6.21). Для мартен-ситного превращения характерно, что растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы. Два кристалла считаются когерентными, если они соприкасаются по такой поверхности раздела, которая является общей для их кристаллических решеток. При нарушении когерентности решеток интенсивный упорядоченный переход атомов из аустенита в мартенсит становится невозможным, и рост кристалла мартенсита прекращается.

В процессе мартенситного γ→α-превращения углерод остается в твердом растворе, искажая кристаллическую решетку Fеа, так как растворимость его в Fеа значительно меньше, чем в Fеγ. Мартенсит имеет тетрагональную пространственную решетку (рис. 6.22). На рисунке крестиками показаны возможные места расположения атома углерода. Чем больше углерода было в аустените, тем большее число элементарных ячеек мартенсита будет содержать атом углерода и тем большими окажутся средние искажения пространственной решетки.

Свойства мартенсита сталей зависят от количества растворенного в нем углерода. На рис. 6.23, а показано влияние содержания углерода на твердость мартенсита. По аналогичной кривой изменяется и временное сопротивление сталей. Мартенсит имеет очень высокую твердость, равную или превышающую 60 НRС, при содержании углерода, большем 0,4%. С увеличением количества углерода возрастает хрупкость мартенсита. Мартенситное превращение в сталях сопровождается заметным увеличением объема (рис. 6.23, б). Весьма сильно изменяются и другие физические свойства стали.

Небольшое количество остаточного аустенита (1-3 %) после мартенситного превращения сохраняется в сталях, температура Мk к выше 20 —