Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Обобщенная диаграмма превращения переохлажденного аустенита в углеродистой стали

Введение

Развитие учения о превращениях аустенита берет начало с выдающихся открытий Д. К. Чернова и имеет уже более чем вековую историю. Д. К. Чернов впервые указал на связь превращений в стали при нагреве и охлаждении с критическими точками. Научное предвидение позволило ему связать эти превращения с возможными изменениями взаимного расположения атомов в кристаллической решетке. Чернов писал, что понимание механизма превращений требует «...установления основных понятий о силах, действующих в природе... В различные моменты обработки стали мы встречаемся с явлениями света, электричества, магнетизма, с термическими явлениями и силами молекулярного сцепления...». Так была подчеркнута тесная связь науки о металлах с общими законами естествознания — физики и химии, связь, которая в наше время стала основной тенденцией развития металловедения.

Исследования превращения аустенита в условиях непрерывного охлаждения в конце XIX и первой четверти XX в. (Портевен, Шевенар, Эсеер, Маслов и др.) показали, что с увеличением скорости охлаждения понижаются критические точки превращений, степень этого понижения зависит от легирования; при определенном переохлаждении наблюдается раздвоение критической точки, а в некоторых легированных сталях — и три критические точки. Хотя эти исследования и позволили установить ряд важных закономерностей, способ изучения превращений аустенита при непрерывном охлаждении имел существенные недостатки: он не позволил четко разграничить температурные интервалы различных по механизму превращений аустенита и детально исследовать их особенности.

Использование, в многочисленных работах начиная с 1929—1930 гг. изотермического метода исследования привело к установлению закономерностей кинетики превращений переохлажденного аустенита.

Важнейшие исследования кинетики превращений аустенита в последующие годы были проведены С. С. Штейнбергом, В. Д. Садовским, Н. А. Минкевичем, И. JI. Миркиным, М. Е. Блантером, А. П. Гуляевым, Б. Я. Любовым, А. С. Завьяловым, JI. Э. Певзнер, Н. Н. Сиротой, И. Е. Конторовичем, А. А. Поповым, JI. С. Палатником и др. в нашей стране; Давенпортом и Бейном, Мейлем и др. в США; школой Вефера в Германии, Портевена во Франции, Хультгрена в Швеции и др [1].

Обобщенная диаграмма превращения

Начало изучению железоуглеродистых сплавов и процессов термической обработки было положено опубликованной в 1868 г. работой Д.К. Чернова «Критический обзор статей Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные исследования Д.К. Чернова по этому же предмету». Д.К. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек, и дал первое представление о диаграмме железо-цементит. В дальнейшем изучению железоуглеродистых сплавов и построению диаграмм железо-углерод были посвящены работы Ф. Осмонда, Ле-Шателье (Франция), Р. Аустена (Англия), А.А. Байкова и Н.Т. Гудцова (Россия), Розенбаума (Голландия), П. Геренса (Германия) и др.

Диаграмма состояния железо - цементит. В диаграмме состояния железо – цементит (Fe-Fe3C) рассматриваются процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали и чугуна) и превращения в их структурах при медленном охлаждении от жидкого расплава до комнатной температуры. Диаграмма (рис.1) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14 до 6,67% - чугуном. Диаграмма состояния Fe-Fe3C представлена в упрощенном виде. Первичная кристаллизация, т. е. затвердевание жидкого сплава начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса ACD. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре 1539° плавления (затвердевания) железа, точка D – температуре ~1600°С плавления (затвердевания) цементита. Линия солидуса AECF соответствует температурам конца затвердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD - цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147°С и содержании углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит (первичный), образуя эвтектику - ледебурит. При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интервале 2,14-4,3% С - аустенита, а в интервале 4,3-6,67% С - цементита первичного (см. рис. 1). В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14%, т. е. в сталях, образуется однофазная структура - аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т. е. в чугунах, при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Рис. 1. Диаграмма состояния железо-цементит (в упрощенном виде):
А – аустенит, П – перлит, Л – ледебурит, Ф – феррит, Ц – цементит

Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) происходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK и GPQ. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной аллотропической модификации в другую (γ в α) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита. В области диаграммы AGSE находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением феррита при температурах, соответствующих линий GS, и цементита, называемого вторичным, при температурах, соответствующих линии SE. Вторичным называют цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита, в отличие от первичного цементита, выделяющегося из жидкого расплава. В области диаграммы GSP находится смесь феррита и распадающегося аустенита. Ниже линии GP существует только феррит. При дальнейшем охлаждении до температур, соответствующих линии PQ, из феррита выделяется цементит (третичный). Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727°С до 0,005% при комнатной температуре. В точке S при содержании 0,8% углерода и температуре 727°С весь аустенит распадается и превращается в механическую смесь феррита и цементита - перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной (рис. 2,б). Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода, называют доэвтектоидными (рис. 2, а ) , а от 0,8 до 2,14% углерода - заэвтектоидными (рис. 2, в). При температурах, соответствующих линии PSK, происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита, представляющего собой механическую смесь феррита и цементита. Линию PSK называют линией перлитного превращения. При температурах, соответствующих линии SE, аустенит насыщен углеродом, и при понижении температуры из него выделяется избыточный углерод в виде цементита (вторичного). Вертикаль DFKL означает, что цементит имеет неизменный химический состав. Меняется лишь форма и размер его кристаллов, что существенно отражается на свойствах сплавов. Самые крупные кристаллы цементита образуются, когда он выделяется при первичной кристаллизации из жидкости. Белый чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим (рис. 3).

Белые чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода, называют доэвтектическими, а от 4,3 до 6,67% углерода - заэвтектическими.
По достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до эвтектоидного состава (0,8% углерода), превращается в перлит. После окончательного охлаждения доэвтектические белые чугуны состоят из перлита, ледебурита (перлит+цементит) и цементита (вторичного). Чем больше в структуре такого чугуна углерода, тем меньше в нем перлита и больше ледебурита.
Белый эвтектический чугун (4,3% углерода) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита. Белый заэвтектический чугун, содержащий более 4,3% углерода, после окончательного охлаждения состоит из цементита (первичного) и ледебурита. Следует отметить, что при охлаждении ледебурита ниже линии PSK входящий в него аустенит превращается в перлит, т. е. ледебурит при комнатной температуре представляет собой уже смесь цементита и перлита. При этом цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита является причиной его большой твердости (НВ>600) и хрупкости.
Диаграмма состояния железо-цементит имеет большое практическое значение. Ее применяют для определения тепловых режимов термической обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штамповка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для определения температуры плавления, что необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы [2].

Рис. 2. Микроструктура:
а – доэвтектоидная сталь – феррит (светлые участки) и перлит (темные участки) при 500х увеличении, б – эвтектоидная сталь – перлит (1000х), в – заэвтектоидная сталь – перлит и цементит в виде сетки (200х)

Рис. 3. Микроструктура белого чугуна при 500х увеличении:
а- доэвтектический чугун – перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), б – эвтектический чугун – ледебурит (смесь перлита и цементита), в – заэвтектический чугун – цементит (светлые пластины) и ледебурит

Также Черновым Дмитрием Константиновичем в 1868 году были установлены критические точки и названы точками a, b, c и позднее в 1878 году была названа точка d.

Эти точки - критические температуры, при которых происходит изменение фазового состояния и структуры стали при нагреве и охлаждении её в твёрдом виде.

Открытие и изучение данного вопроса положило начало науке о термической обработке металлов.

Значение точки а (темно-вишнёвое каление) заключается, по Чернову, в том, что сталь, будучи нагрета ниже точки a, не принимает закалки, как бы быстро её ни охлаждали. Для точки b Чернов дал такое определение: сталь, будучи нагрета ниже точки b, не изменяет своей структуры, излом её сохраняет прежний вид. По Чернову, точка а - это температура, нагрев выше которой необходим для закалки стали, а точка b - температура, нагрев выше которой приводит к исправлению крупнозернистой структуры. Позднее, в 1878, Чернов ввёл понятие о точке d (точкой с Чернов обозначал температуру плавления стали), лежащей около 200 °С, как о температуре, до которой нужно быстро охладить сталь, чтобы совершилась полная закалка (рис. 4).

Рис 4. Фазовая диаграмма железо-углерод с точками Чернова a, b,c, d (выделены красным цветом)

По современным представлениям, точка а (обозначаемая теперь A₁) соответствует температуре эвтектоидного превращения в стали. Точка b обычно отождествляется с температурой, обозначаемой теперь A₃, при которой оканчивается растворение феррита в аустените при нагревании стали. Согласно Чернову, сталь, нагретая выше точки b, приобретает после охлаждения мелкозернистую структуру, чем и определяется значение этой точки в технологии термической обработки стали. Поскольку в ряде случаев нагрев выше точки A₃ не сопровождается измельчением крупнокристаллической структуры, безоговорочное отождествление точек b и A₃ является, по-видимому, неправильным. Точка d известна теперь как температура мартенситного превращения при закалке стали, обозначаемая обычно М_н.[2]

Условия начала превращения

Превращения в соответствии с диаграммами состояния имеют место только в идеализированных условиях бесконечно медленного нагрева (или охлаждения). Фактически применяемые режимы весьма сильно влияют на характер превращения, приводя к результатам, часто не соответствующим диаграмме состояния. Так, применение больших скоростей нагрева приводит к получению в доэвтектоидной стали аустенитно-карбидной структуры. Хорошо известно также, что нагрев до различных температур выше А₃—А_ст приводит к получению аустенита с разными свойствами, а это определяет различное поведение в процессе охлаждения и свойства термически обработанной стали. Все эти особенности определяются диффузионным характером процесса образования аустенита, развивающимся во времени. Поэтому изменение температурно-временных условий нагрева приводит к изменению состава и строения аустенита со всеми вытекающими последствиями. [3]

Равновесные и неравновесные структуры

Равновесные структуры стали образуются в результате распада аустенита при очень медленном охлаждении. Увеличение скорости охлаждения приводит к переохлаждению аустенита и изменению структуры.

По типу равновесной структуры стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные. В структуре литых ледебуритных (карбидных) сталей присутствует эвтектика (ледебурит), образованная первичными карбидами вкупе с аустенитом; поэтому по структуре они могут быть отнесены к белым чугунам, но их причисляют к сталям с учетом меньшего, чем у чугунов, содержания углерода (2%) и возможности подвергать пластической деформации. Влияние легирующих элементов на положение точек S и Е диаграммы Fe-С (см. рис.1) проявляется чаще всего в их смещении в направлении меньшего содержания углерода.

Из диаграммы видно, что при нормальных условиях равновесными структурами стали являются феррит, цементит и перлит. Так как углерод малорастворим в ɣ-железе, структура, состоящая из одного феррита, может наблюдаться только в технически чистом железе.

Таким образом, с увеличением скорости охлаждения металла шва вместо сравнительно мягких равновесных структур ферритно-перлитной стали происходит образование неравновесных, мелкодисперсных структур сорбита, тростита и бейнита, что приводит к заметному повышению прочности и уменьшению пластичности металла шва (рис. 5). Аналогичное явление происходит в сталях, которые с целью повышения их прочности подвергают процессу так называемого термического упрочнения. [4]

Неравновесные структуры приходят в равновесное состояние в случае отсутствия факторов, удерживающих эти структуры в неравновесном состоянии. Если исходное состояние отличается сильной неравновесностью и возникающие процессы достаточно интенсивны, то на фоне общего стремления системы к равновесию появляется подсистемы, в которых энтропия уменьшается локально. Эти подсистемы представляют значительный интерес. Однако суммарная энтропия для общей системы с учетом внешних систем увеличивается, т.е. нарушение закона возрастания энтропии не происходит. Локальное уменьшение энтропии в какой-либо подсистеме происходит само по себе. Для обеспечения этого процесса необходимо неравновесное состояние с достаточно малой энтропией, но, подчеркнем, общая энтропия всей большой системы увеличивается.

Получение неравновесной структуры в результате термической обработки значительно изменяет многие свойства и особенно механические.

Переход неравновесных структур в равновесные сопровождается короблением и усадкой изделий во время эксплуатации. Для уменьшения этого недостатка используют термическую стабилизацию - отжиг при температурах, превышающих максимальные температуры эксплуатации.

Элементами неравновесной структуры шва являются химическая неоднородность, дисперсность карбидной или интерметаллидной фазы в зависимости от легирования, повышенное содержание примесей в твердом растворе и искаженность кристаллической решетки. Первичная структура сварных швов состоит из четко выраженных столбчатых дендритов; вторичная - обычно мелкозернистая с дисперсным распределением второй фазы.

В неравновесной структуре метастабильный аустенит обнаружить легче, чем в равновесной. Это соответствует гораздо меньшей концентрации углерода в аустените (точка С). Чем более неравновесно состояние исходной ферритокарбидной матрицы, тем меньшей должна быть концентрация углерода в аустените, находящемся в состоянии квазиравновесия с исходной искаженной а-фазой. Следовательно, чем больше степень неравновесности исходной структуры, тем выше эквивалентная температура превращения и тем большим должно быть количество аустенита, образующегося при данной температуре. [5]

Однофазные и двухфазные структуры

Однофазная структура - состоит из частиц или зерен, одного компонента (феррит, аустенит, цементит).

1. Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Растворимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость - 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначительную твердость (НВ 80-100) и прочность (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50%; φ=80%).

2. Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% - при 727°С. Эта температура является нижней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит имеет твердость НВ 160-200 и весьма пластичен (δ=40-50%).

3. Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ~800), хрупок и практически не обладает пластичностью. Цементит неустойчив и в определенных условиях распадается, выделяя свободный углерод в виде графита по реакции Fe₃C→3Fe+C.

Двухфазная структура - образованная зернами матрицы и частицами избыточных фаз или структурных составляющих (аустенит и карбиды, перлит и избыточный цементит и т. д.)

1. Перлит (П) - механическая смесь (эвтектоид, т. е. подобный эвтектике, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Перлит может быть пластинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита (пластинки или зерна) и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σв=800 МПа; относительное удлинение δ=15%; твердость НВ 160. Перлит образуется следующим образом. Пластинка (глобуль) цементита начинает расти или от границы зерна аустенита, или центром кристаллизации является неметаллическое включение. При этом соседние области обедняются углеродом и в них образуется феррит. Этот процесс приводит к образованию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок или глобулей цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

2. Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре ниже 727°С ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь перлита с цементитом. Помимо перечисленных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды – соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором. На их основе могут образовываться новые структурные составляющие, например фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С. Она образуется при больших содержаниях фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5-0,7% фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границам зерен и повышает хрупкость чугуна. [2]

Перлитное превращение

Превращение аустенита в перлит заключается в распаде аустенита — твердого раствора углерода в у-железе, на почти чистое а-железо и цементит:

Fe_v(С) - Fe_a + Fe₃0.

При температуре равновесия A₁ превращение аустенита в перлит невозможно, так как при этой температуре свободные энергии исходного аустенита и конечного перлита равны.

Превращение может начаться лишь при некотором переохлаждении, когда свободная энергия феррито-карбидной смеси (перлита) окажется меньшей, чем свободная энергия аустенита.

Чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение, тем больше разность свободных энергий, тем быстрее происходит превращение.

В случае перлитного превращения образуются фазы, резко отличающиеся по составу от исходной: феррит, почти не содержащий углерода, и цементит, содержащий 6,67% С. Поэтому превращение аустенит-перлит сопровождается диффузией, перераспределением углерода. Скорость диффузии резко уменьшается с понижением температуры, следовательно, с этой точки зрения увеличение переохлаждения должно замедлять превращения.

При увеличении переохлаждения (снижения температуры превращения) вступают в борьбу два фактора, прямо противоположно влияющие на скорость превращения.

Снижение температуры (увеличение переохлаждения), с одной стороны, увеличивает разность свободных энергий аустенита и перлита (AF=F_a — F_п), что ускоряет превращение, а с другой — вызывает уменьшение скорости диффузии углерода D, а это замедляет превращение (рис. 6). Суммарное действие обоих факторов приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигает при каком-то значении переохлаждения максимума и затем убывает (сплошная кривая на рис. 6).

Рис. 6. Скорость распада аустенита (сплошная линия) в зависимости

от степени переохлаждения (температуры)

При 727 °С (А₁) и ниже 200° С (d) скорость превращения равна нулю, так как при 727 °С равна нулю разность свободных энергий, а при 200 °С равна нулю (точнее, недостаточна) скорость диффузии углерода.

Процесс образования перлита - это процесс зарождения центров перлита и роста перлитных кристаллов, как было впервые в 1939 г. показано И. Л. Миркиным и затем (в 1941 г. и в последующих) развито Р. Мелом.

Следовательно, разная скорость перлитного превращения при разной степени переохлаждения определяется тем, что подобным образом зависят от степени переохлаждения скорость роста (с. к.) и число образующихся центров (ч. ц.) перлита (рис. 7). В точке А_х и ниже 200° С оба параметра кристаллизации— ч. ц. и с. к. — равны нулю и имеют максимальное значение при переохлаждении, равном 150—200° С.

Рис. 7. Скорость роста кристаллов и скорость зарождения центров кристаллизации перлита в зависимости от температуры (степени переохлаждения) (И. Л, Миркии)

Из сказанного следует, что как только созданы надлежащие условия зарождаются центры кристаллизации и из них растут кристаллы. Процесс этот происходит во времени и может быть изображен в виде так называемой кинетической кривой превращения, показывающей количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения (рис. 8).

Рис. 8. Кинетическая кривая превращения аустенита в перлит

Начальный период характеризуется весьма малой скоростью превращения — это так называемый инкубационный период, или обнаруживается начало превращения (обычно это соответствует образованию 1% перлита). На кривой степень превращения — время (рис. 8) видно, что скорость превращения возрастает по мере того, как развивается превращение. Максимум скорости превращения соответствует примерно тому времени, когда превратилось ~50% аустенита. В дальнейшем скорость превращения уменьшается и, наконец, превращение заканчивается (точка b).

На рис. 9 показано время превращения аустенита в перлит в зависимости от степени переохлаждения, т. е. превращение переохлажденного аустенита при постоянной температуре. Поэтому такие диаграммы обычно называют диаграммами изотермического превращения аустенита. Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита имеют вид буквы С, поэтому их часто называют С-образными или просто С-кривыми.

Рис. 9. Диаграмма изотермического превращения аустенита.

Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходил процесс его распада (рис. 10).

При высоких температурах, т. е. при малых степенях переохлаждения, получается достаточно грубая (легко дифференцируемая под микроскопом) смесь феррита и цементита. Эта смесь называется перлитом (рис. 10,а).

При более низких температурах и, следовательно, при больших степенях переохлаждения дисперсность структур возражает, и твердость продуктов повышается. Такой более тонкого строения перлит получил название сорбита (рис. 10,б).

Рис. 10. Структура эвтектоидной стали в зависимости от температуры распада аустенита:

а — перлит, распад при 700° С; б — сорбит, распад при 650° С. Х7500

При еще более низкой температуре (что соответствует изгибу С-кривой) дисперсность продуктов еще более возрастает, и дифференцировать под оптическим микроскопом отдельные составляющие феррито-цементитной смеси становится почти невозможно, но при наблюдении под электронным микроскопом пластинчатое строение обнаруживается вполне четко (рис. 11). Такая структура называется трооститом.

Рис. 11. Структура тростита (электронный микроскоп). Х15000

Таким образом, перлит, сорбит и тростит — структуры с одинаковой природой (феррит + цементит), отличающиеся степенью дисперсности феррита и цементита.

Перлитные структуры могут быть двух типов: зернистые (цементит в них находится в форме зернышек) или пластинчатые (в форме пластинок).

Однородный (гомогенный) аустенит всегда превращается в пластинчатый перлит. Следовательно, нагрев до высокой температуры, который создает условия для образования более однородной структуры, способствует появлению пластинчатых структур. Неоднородный аустенит при всех степенях переохлаждения дает зернистый перлит, следовательно, нагрев до невысокой температуры (для заэвтектоидной стали ниже Ас₃) приводит при охлаждении к образованию зернистого перлита. Вероятно, оставшиеся не растворенными в аустените частицы, являющиеся дополнительными центрами кристаллизации, способствуют образованию зернистого цементита.

Как показано на рис. 12, при исходном нагреве до 900° С получился пластинчатый перлит, причем более низкая температура превращения дает более дисперсную структуру.

В той же стали при тех же температурах превращения, но после невысокого нагрева (780°С), получился зернистый перлит (рис. 13). Размер зерен цементита мельче при более низкой температуре превращения.

Рис. 12. Пластинчатый перлит в стали с 1% С, полученный в результате нагрева на 900° С (т. е. выше Ас₃) и изотермического превращения при 710° С (а) и 670° С (б). Х800

Рис. 13. Зернистый перлит в стали с 1,2% С, полученный в результате нагрева на 750^е С (т. е. ниже Ас₃) и изотермического превращения при 710° С (а) и 670° С (о). X800

Следовательно, размер цементитных частиц зависит от температуры превращения аустенита, а форма цементита — от температуры нагрева (температура аустенизации).

Превращения выше и ниже изгиба С-кривой отличаются по кинетике превращения и по форме продуктов распада.

Выше изгиба С-кривой, т. е. при малых переохлаждениях, превращение начинается из немногих центров, и кристаллы перлита растут до столкновения. Ниже изгиба С-кривой возникает игольчатая микроструктура, образуются иглы-пластины, рост которых ограничен, и превращение происходит главным образом путем появления новых кристаллов.

Образующаяся ниже изгиба С-кривой игольчатая структура получила название бейнит. [6]

Бейнитное превращение

На схеме образования структур (см. рис. 14) бейнитное превращение происходит, когда в заметном объеме нет диффузионного перераспределения атомов легирующих элементов и самодиффузий атомов железа, а диффузия атомов углерода может совершаться с достаточной полнотой. Другими словами, бейнитное превращение ограничивается уровнями температур e и d соответственно (приблизительно от 400 до 200⁰С).

Рис. 14. Особенности диаграммы превращения переохлажденного аустенита

Механизм бейнитного превращения описывается следующим образом (рис. 15). При охлаждении ниже точки е в аустените происходит расслоение на области, богатые и бедные углеродом. В обедненном аустените вследствие повышения мартенситной точки образуется мартенсит, о котором происходит выделение (карбидов), так как температура процесса выше точки М_н (начала мартенситного превращения).

В аустените обогащенном углеродом, может сначала происходить выделение карбидов, в этом случае он значительно обедняется углеродом и точка М_н повышается до температуры изотермической выдержки, и превращение происходит по указанной справа схеме на рис. 15.

Рис. 15. Схема бейнитного превращения

Если обеднение углеродом менее значительно, мартенситное превращение наступит только при охлаждении до 20 ⁰С от температуры изотермической выдержки, а при еще меньшем обеднении углеродом или при отсутствии такого этот аустенит не превращается ни при температуре изотермической выдержки ни при охлаждении до 20⁰С.

В соответствии с рассмотренным бейнитное превращение в изотермических условиях не идет до конца (сохраняется высокоуглеродистый аустенит). Структура бейнита неоднородна и зависит от температуры изотермического превращении. Обычно различают верхний и нижний бейнит (рис. 16). Мартенсит (или α-твердый раствор), образующиеся в процессе бейнитного превращения, хотя и претерпевает отпуск, но все же полностью не освобождается от углерода. В нем сохраняется примерно 0,1—0,2% С.

Обобщенная диаграмма превращения переохлажденного аустенита в углеродистой стали 📙 Курсовая → 🆔 144767