Превращения аустенита при охлаждении

2.2.2.1 Перлитное превращение

При охлаждении аустенита эвтектоидной стали ниже линии А₁ происходит его распад на феррит и цементит Fe_y(C) Þ Fe_a(C) + Fe₃C. Скорость этого процесса определяется следующими факторами.

При температуре А₁ превращение не происходит, а может начаться только после некоторого переохлаждения, когда свободная энергия аустенита будет выше свободной энергии смеси феррита и цементита. Чем больше переохлаждение, тем более разница свободных энергий и тем быстрее проходит превращение.

Фазы, которые образуются при распаде аустенита, сильно отличаются по составу ( феррит содержит 0,025%С, цементит – 6,67% С) и поэтому для такого превращения необходима диффузия, скорость которой при понижении температуры будет уменьшаться.

Таким образом, на процесс превращения аустенита при переохлаждении ниже А₁ влияют два противоположных по действию фактора. При снижении температуры увеличивается разница свободных энергий, что должно повышать скорость превращения. Но при этом замедляются диффузионные процессы, что снижает скорость превращения.

Степень переохлаждения предопределяет механизм и кинетику превращения и, как следствие, структуру и свойства стали.

Превращение аустенита анализируют в изотермических условиях, охлаждая образцы до определенной температуре ниже А₁ и фиксируя начало и конец распада аустенита. Далее точки начала и конца превращения соединяются кривыми, в результате чего на диаграмме изотермического распада аустенита образуются С-образные кривые (рис. 10).

При эвтектоидном превращении аустенита увеличивается удельный объем, падает электросопротивление и сталь переходит из парамагнитного в ферромагнитное состояние, На исследовании изменений этих физических свойств основаны дилатометрический, электрический и магнитный методы определения времени начала и конца превращения.

Устойчивость переохлажденного аустенита характеризуется инкубационным периодом, т. е. отрезком времени (от оси координат до линии начала превращения), в течение которого обычные методы не фиксируют появление продуктов распада.

Температура, соответствующая минимальному инкубационному периоду, называется температурой минимальной устойчивости аустенита (t_min).

Рисунок 10 - Диаграмма изотермического распада

аустенита в эвтектоидной стали

На диаграмме изотермического распада аустенита различают три области, соответствующие перлитному (А₁…t_min,^оС), промежуточному (t_min,^оС…М_н) и мартенситному (ниже М_н) превращениям.

Характерной особенностью перлитного превращения является кооперативный рост двухфазной перлитной колонии путем диффузионного образования феррита и цементита. Центром образования перлитной колонии может быть или цементит, или феррит, зарождение которых облегчено на границах аустенитных зерен.

При образовании и росте цементитной пластины аустенит вблизи нее обедняется углеродом и создаются условия для зарождения ферритных пластин путем полиморфного g - a превращения. При последующем росте ферритной пластины углерод оттесняется в аустенит, поскольку феррит практически не содержит углерода, и в обогащенном аустените создаются условия для появления новых цементитных пластин, и т. д.

Межпластиночное расстояние (или суммарная толщина пластин феррита и цементита) постоянно для данной температуры образования и с увеличением переохлаждения уменьшается, при этом прочностные свойства и твердость возрастают.

При распаде аустенита в температурном диапазоне от А₁ до 650^оС межпластиночное расстояние в колонии равно 0,5…1 мкм, строение хорошо видно при средних увеличениях в микроскопе, твердость составляет 170…230 НВ и такой эвтектоид называют перлитом.

В районе температур 650…600^оС образуется сорбит, твердость которого составляет 230…330НВ, а межпластиночное расстояние – 0,2…0,4 мкм. Строение сорбита можно выявить лишь при больших увеличениях оптического микроскопа.

Распад аустенита в интервале температур 600^оС…t_min,^оС приводит к образованию троостита, представляющего собойдисперсную (строение выявляется только при электронномикроскопическом исследовании) механическую смесь с межпластиночным расстоянием до 0,1 мкм и твердостью 330…400 НВ.

В до- и заэвтектоидных сталях перлитному превращению должно предшествовать выделение избыточных фаз, соответственно, феррита и избыточного цементита. Количество избыточной фазы с увеличением скорости охлаждения уменьшается и при достаточно большом переохлаждении её образование в виде самостоятельной структурной составляющей полностью предотвращается (рис. 11).

Рисунок 11 - Диаграмма изотермического распада аустенита в

доэвтектоидной (а) и заэвтектоидной (б) сталях

2.2.2.2 Мартенситное превращение

Если аустенит переохладить до температуры, когда отсутствует диффузия углерода, то превращение аустенита происходит без выделения из него углерода и осуществляется лишь полиморфное превращение Fe_g(C) > Fe_a(C). Это превращение называется бездиффузионным, а образовавшаяся структура – мартенситом.

Мартенсит является пересыщенным твердым раствором углерода в a – железе, поскольку в нем концентрация углерода такая же, как в исходном аустените, а в Fe_a в равновесном состоянии при комнатной температуре растворяется только 0.0025% C.

Превращение является бездиффузионным, перестраиваются только атомы железа. Мартенситное превращение понимают как сдвиг или смещение какого-то объема металла по определенной плоскости на расстояния меньше межатомных с одновременным g Þ a превращением.

Вследствие растворения большого количества углерода объемно-центрированная кубическая решетка феррита вытягивается вдоль одного из ребер (с). Характерной для решетки мартенсита является степень тетрагональности, то есть отношение с / а > 1, которое зависит от количества углерода, растворенного в решетке.

В сталях мартенситное превращение является необратимым, кристаллы мартенсита образуются за 10^-7с, а вся порция кристаллов за 10^-3с, после чего превращение прекращается и возобновляется после продолжения охлаждения.

Рисунок 12 - Зависимость температуры начала (Мн) и конца (Мк)

мартенситного превращения от содержания углерода в

углеродистых сталях

Мартенситное превращение происходит в некотором температурном диапазоне. Существуют температуры начала (Мн) и конца (Мк) мартенситного превращения, которые снижаются при повышении содержания углерода (рис. 12). Вследствие этого в сталях с содержанием углерода > 0,5% мартенситное превращение не завершается при комнатной температуре и часть аустенита не распадается. Этот аустенит называется остаточным и его количество увеличивается с повышением в стали углерода.

Температура начала мартенситного превращения не зависит от скорости охлаждения, а определяется только химическим составом.

При температуре М_Н превращение только начинается и, чтобы оно развивалось, необходимо непрерывно охлаждать углеродистую сталь в мартенситном интервале. Если охлаждение приостановить и выдерживать углеродистую сталь при постоянной температуре внутри мартенситного интервала, то образование мартенсита почти сразу же прекращается.

Мартенсит имеет игольчатую структуру. При образовании пластина мартенсита развивается внутри зерна аустенита, разрастаясь от границы к границе. Это означает, что чем крупнее зерно аустенита, тем длиннее будут образовавшиеся мартенситные пластины. Для получения высокого комплекса механических свойств необходимо добиваться мелкоигольчатой мартенситной структуры, что достигается лишь при начальном мелком зерне аустенита.