Превращения в стали при охлаждении
а) Распад переохлажденного аустенита.Сущность этого процесса можно выразить схемой
Fe γ (C) → Fe α (C) + Fe3C
При превращении аустенита в перлит имеют место 2 процесса:
· перестройка решетки ГЦК-Fe γ (C) в решетку ОЦК- Fe α (C);
· выделение углерода из аустенита и образование пластин цементита, а затем феррита.
Распад аустенита может происходить только при температурах ниже 727 °С, т.е. при определенных переохлаждениях. От скорости охлаждения зависит величина DТ–, а также скорость превращения и строение продуктов распада аустенита. Закономерности этого процесса характеризуются диаграммой изотермического превращения аустенита. Если нагретую до состояния аустенита сталь быстро охладить до температуры ниже ТF на DТ–, а затем выдержать изотермически при DТ– = сonst, то превращение аустенита в феррито-цементитную смесь будет происходить в течение т.н. инкубационного периода ti.
Кривые зависимости степени превращения a от времени t в зависимости от величины переохлаждения DТ– свидетельствуют о наличии критического переохлаждения DТ–к характерного тем, что при увеличении переохлаждения до DТ–к , процесс распада ускоряется, а время распада tр (включая и инкубационный период ti) уменьшается. А при росте переохлаждения выше DТ–кр ( DТ– > DТ–кр) процесс замедляется, а времена распада увеличиваются. По экспериментальным кривым a (t) при разных переохлаждениях DТ– строят диаграмму изотермического распада аустенита .
Рис. 2.5. Принцип построения диаграммы распада аустенита
Принцип построения этой диаграммы в координатах переохлаждение DТ– - время в логарифмических координатах (1n t ) либо температура Т°С превращения – время (1n t ) показан на рис. 2.5,б. Время tiк при DТ–кр (оаз) называют устойчивостью аустенита.
Устойчивость аустенита ( tiк ) зависит от содержания углерода и легирующих элементов и является важной характеристикой при термообработке стали.
Приведенная диаграмма изотермического распада аустенита характерна для эвтектоидной стали.
Если нанести на диаграмму отрезки кривых аустенитно-перлитного превращения, соответствующие началу превращения (время инкубационного периода) и концу превращения по мере увеличения DТ- , то такая диаграмма будет иметь вид, приведенный на рисунке 2.5,б.
Исследования показали, что при температуре Т=550-600 0С аустенит превращается в перлит за наиболее короткое время.
Рис. 2.6. Кривые зависимости скорости кристаллизации (с.к.) и числа центров кристаллизации (ч.ц.) от переохлаждения ΛТ
На рис. 2.6. показана зависимость скорости роста и числа центров кристаллизации перлита от переохлаждения DТ-. Из этих кривых видно, что:
· малой степени переохлаждения (при почти равновесной кристаллизации, т.е. малой скорости охлаждения) соответствует очень малое число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов.
· наибольшее число центров кристаллизации соответствует переохлаждению DТ-≈200 0С.
В зависимости от DТ- различают три области превращения аустенита:
- перлитную;
- промежуточную;
- мартенситную.
а) перлитное превращение.Перлитная область распространяется от Т=727°С до ~ 550 °С.
Распад аустенита с образованием перлита является диффузионным процессом (эвтектоидный распад) и развивается в результате флуктуации состава. Как и любой диффузионный процесс, распад аустенита начинается путем возникновения зародышей и их роста с определенной скоростью. Образование центров кристаллизации перлита происходит в участках аустенита с наиболее дефектным строением (границы зерен и зерна с дислокациями). Рост зародышей цементита, входящего в перлит, происходит за счет диффузии углерода из прилегающего аустенита. Это приводит к обеднению углеродом аустенита и способствует превращению его в феррит за счет полиморфного превращения ГЦК в ОЦК. Поэтому рядом с пластинками цементита образуются пластинки феррита. Схема образования аустенита в перлит показана на рис. 2.7.
Рис. 2.7. Схема образования перлита из аустенита
Межпластинчатое расстояние l0 - это сумма толщин пластинок цементита и феррита. С уменьшением межпластинчатого расстояния изменяются механические свойства - повышается прочность, твердость и уменьшается пластичность. Таким образом
Перлит - продукт эвтектоидного распада аустенита, образующиеся при 650-700°С (крупная ферритно-цементитная смесь).
Сорбит - мелкая ферритно-цементитная смесь, образующаяся при 600-650°С.
Троостит - еще более мелкая ферритно-цементитная смесь, образующаяся при 600-550°С.
С увеличением степени дисперсности фаз увеличивается их твердость (табл. 2.1).
Получающаяся при распаде аустенита ферритно-цементитная смесь, содержащая углерода меньше (либо больше) 0,8 %, называется квазиэвтектоидом (ложным эвтектоидом). Такой эвтектоид образуется из до- и заэвтсктоидной стали.
Таблица 2.1
Твердость фаз перлитной области
Температура превращения Т, 0С | Скорость превращения τ, 0С/с | Структура | Межпластинчатое расстояние l0, мкм | Твердость НВ |
1-5 | Тонкопластинчатый перлит | 1-0,5 | ||
650-600 | 30-50 | сорбит | 0,3-0,4 | |
600-550 | троостит | 0,1-0,2 |
б) Мартенситное превращение.
Мартенсит является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в a-железе. При большом DТ- - углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частиц цементита. Решетка g -Fe (ГЦК) перестраивается в решетку a -Fe (ОЦК), а углерод остается внутри решетки a -Fe , в результате чего получается пересыщенный твердый раствор углерода в a -железе, показанному на рис. 2.9. Значительное пересыщение a-ОЦК решетки углеродом вызывает изменение решетки на тетрагональную, элементарной ячейкой которого является прямоугольный параллелепипед. Атомы углерода располагаются в такой ячейке в междоузлиях или в центре основания а или в середине удлиненных ребер с . В кристаллической решетке мартенсита имеется избыток углерода по сравнению с тем, который может раствориться в феррите (0,02%) и это приводит к искажению формы кристаллической решетки, т.е. у мартенсита не кубическая решетка, а тетрагональная объемоцентрированная. Степень тетрагональности зависит от концентрации углерода в стали.
На рис. 2.8 показано изменение параметров решетки мартенсита от содержания углерода в стали.
Характерной особенностью мартенситного превращения является его бездиффузицонный характер.
Превращение аустенита в мартенсит происходит в определенном интервале температур. Инкубационный период ti не зависит от скорости охлаждения. Характерной особенностью мартенситного превращения является то, что даже при температуре конца превращения (точка Мк) полного образования мартенсита не происходит. Аустенит частично остается и называется остаточным аустенитом (Аост).
Рис. 2.8. Изменение параметров решетки а и с мартенсита при увеличении содержания углерода в стали
Рис. 2.9. Схема перестройки ГЦК-решетки в ОЦК при мартенситном превращении
Если в мартенситном превращении охлаждение прекратить и произвести изотермическую выдержку, то превращение аустенита в мартенсит сразу прекращается (в отличие от перлитного, которое полностью протекает при постоянной температуре ниже а1). Аустенитно-мартенситное превращение сопровождается увеличением объема.
Таким образом, все структуры стали можно расположить в ряд по убыванию объема: мартенсит-троостит-сорбит-перлит-аустенит.
Мартенсит образуется в виде пластин со скоростью более 1000 м/с, но не переходит границу зерна.
Механизм мартенситного превращения описан акад. Г.В.Курдюмовым. Согласно этому механизму атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются одни относительно других на расстояния не выше межатомных.
Микроструктура мартенсита представляет собой игольчатую структуру. Кристаллы мартенсита – это пластины, сужающиеся к концу, расположенные под углом 60 или 120 0 (рис. 2.10). Их величина зависит от величины кристаллов аустенита.
Рис. 2.10. Микроструктура мартенсита
в) Промежуточное (бейнитное) превращение.
Область промежуточного превращения между перлитным и мартенситным называют бейнитным (от 550 °С до ~ 300 °С). Определяющей особенностью бейнитного превращения является то обстоятельство, что оно протекает в интервале температур, когда практически отсутствует диффузия железа, но интенсивно протекает диффузия углерода. Превращение состоит в том, что внутри аустенита происходит диффузионное перераспределение атомов углерода и участки аустенита, обогащенные углеродом, превращаются в цементит. Превращение же обедненного аустенита в феррит происходит по сдвиговому механизму. Образующиеся кристаллы феррита имеют игольчатую структуру. Бейнит - это игольчатый троостит. Эта область сочетает элементы перлитного и мартенситного превращения. Ферритная фаза в бейните является пересыщенным раствором углерода в a -Fe.
Таким образом, бейнит содержит ферритную фазу (a-фазу), частицы цементита и остаточный аустенит. Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависит от температуры превращения:
· до 500 0С l0 = 0,12 мкм – верхний бейнит;
· до 300 0С l0 = 0,08 мкм – нижний бейнит.
Свойства верхнего и нижнего бейнитов отличны. У верхнего бейнита наблюдается плохое сочетание механических свойств – недостаточная прочность при низкой пластичности. У нижнего – высокая прочность при хорошем сочетании с пластичностью и вязкостью. Твердость нижнего бейнита – около 500 кГ/мм2.
Дата добавления: 2015-09-18; просмотров: 1467;