Критическая скорость охлаждения сталей. Степень устойчивости переохлажденного аустенита.

Критическая скорость охлаждения (для сталей (если не особый случай)) — это минимальная скорость, при которой аустенит может быть охлажден от температуры выше критической без превращений до температуры начала мартенситного превращения.

Влияние легирующих элементов на превращения в стали при охлаждении легче всего уяснить, исходя из предварительного рассмотрения их действия на процессы изотермического распада переохлажденного аустенита.

Установлено, что все легирующие элементы, кроме кобальта, повышают устойчивость переохлажденного аустенита и уменьшают скорость его превращения. Последнее отмечается на диаграммах изотермического превращения аустенита, построенных в координатах температура — время, перемещением вправо кривых, отвечающих началу и концу диффузионного распада аустенита. Среди главнейших легирующих элементов Мп, Сг и Мо наиболее резко увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита; 1 Ni, Си и W действуют в этом направлении значительно слабее, a Si и А1 наименее эффективно.

Необходимо, однако, отметить, что карбидообразующие элементы повышают устойчивость аустенита лишь в том случае, когда они находятся в твердом растворе. Если же карбидообразующие элементы не переведены при нагревании в твердый раствор (аустенит) и сохраняются целиком в карбидах, то под влиянием легирования может наблюдаться даже обратный эффект, т. е. понижение устойчивости переохлажденного аустенита, как это, например, имеет место при невысоком нагреве стали, легированной ванадием.

Аустенит в этом случае будет обеднен не только легирующими карбидообразующими элементами, но и углеродом, поскольку часть его оказывается связанной в нерастворенных карбидах.

Влияние легирующих элементов на изотермические превращения переохлажденного аустенита заключается не только в повышении его устойчивости, но также, в ряде случаев, в смещении по температуре зон его минимальной устойчивости.

В сталях, легированных карбидообразующими элементами, как это установлено В. Д. Садовским, вместо одной зоны минимальной устойчивости обнаруживаются две такие зоны, разделенные зоной более высокой устойчивости аустенита. Здесь отмечены также получающиеся продукты превращения аустенита в различных температурных областях.

Область перлитного , превращения (1-я ступень) (пластинчатые сорбит и троостит)

Область игольчато-трооститнего превращения (2-я ступень) (игольчатый, троостит) .

Область мартенситного превращения(3-я ступень) (мартенсит, аустенит)

В то же время легирующие элементы оказывают неоднозначное действие на степень устойчивости переохлажденного аустенита и на скорость его диффузионного распада в различных температурных зонах.

Таким образом, в результате легирования существенно изменяется соотношение скоростей превращения в различных зонах диффузионного распада аустенита. Понятно, что последнее отражается на внешнем виде диаграмм изотермического превращения аустенита.

На некоторых диаграммах в определенном температурном интервале наблюдается разрыв линий, отвечающих началу и концу превращений аустенита. Последнее означает, что в этих температурных интервалах аустенит обладает громадной устойчивостью и даже в длительные промежутки времени не распадается совершенно. Такое явление встречается чаще у сложных высоколегированных сталей, где задерживающий эффект действия отдельных элементов обычно усиливается в присутствии других элементов.

В сложнолегированных сталях температура мартенситной точки М с некоторым приближением может быть определена по эмпирической формуле А. А. Попова:

М(°С) = 520-320 (% С)-50 (% Мп)-30 (% Сг) — 20 (% Ni + % Мо )- 5 (% Си + + % Si).

У силы-легированных сталей, особенно с высоким содержанием углерода, мартенситная точка М может быть расположена ниже комнатной температуры. Между изотермическими превращениями переохлажденного аустенита и его скоростью охлаждения существует прямая связь. Это становится очевидным, если на диаграмму изотермического превращения аустенита нанести кривые непрерывного охлаждения .

В случае охлаждения этой стали со скоростью, меньшей vu например равной vi, аустенит успеет превратиться в верхней зоне диффузионного распада, в результате чего будет получена структура немар-теиситного характера (сорбит- или троостит-закалки).

В то же время, как видно из фигуры и расположения кривых, иг отвечает критической скорости закалки легированной стали. Так как эта скорость меньше vlt то, очевидно, закалка легированной стали на мартенсит может производиться со значительно меньшей интенсивностью охлаждения, чем нелегированной.

Практически это означает, что при одинаковых размерах (сечениях) изделий из легированной и нелегированной сталей при закалке первой стали возможно применение менее интенсивных охладителей или, иначе говоря, при равной скорости охлаждения сквозная закалка на мартенсит может быть достигнута в значительно более крупных сечениях изделий из легированной стали, чем из простой углеродистой стали.

Повышение прокаливаемости стали, равно как и обеспечение возможности применения менее энергичных охладителей при закалке, с целью ослабления вероятности образования трещин и уменьшения коробления, являются одними из важнейших целей ее легирования.

Поскольку легирующие элементы в большинстве случаев понижают мартенситную точку М и, следовательно, сокращают температурную зону между этой точкой и комнатной температурой, охлаждение стали со скоростью выше критической скорости закалки (закалка на мартенсит) отмечается появлением в легированной стали значительно большего количества остаточного аустенита, чем в простой углеродистой стали, с равным содержанием углерода.

Сопоставление этих кривых приводит к заключению, что чем энергичнее легирующий элемент понижает точку М, тем в большей степени он способствует сохранению в закаленной стали остаточного аустенита. Присутствие после закалки на мартенсит значительного количества остаточного аустенита — характерная особенность многих марок легированной стали, особенно при наличии в их составе повышенного содержания углерода.

Весьма важной особенностью действия легирующих элементов является возможность получения устойчивого аустенитного состояния в стали при атмосферной температуре. Это также объясняется тем, что многие легирующие элементы сдвигают тдчку начала мартенситного превращения (М) в сторону более низких температур, так что эта точка может быть расположена ниже атмосферной (комнатной) температуры. Получение устойчивого аустенита при этом условии возможно в случае отсутствия изотермического (диффузионного) его распада при комнатной температуре.

Возможность получения подобных состояний в стали составляет также одну из важных целей ее легирования.