Превращения в сталях при нагреве

Представление о превращениях при нагреве можно получить на основе анализа диаграммы состояния «железо – цементит». Из диаграммы (см. рис.27) видно, что доэвтектоидные стали с исходной структурой, состоящей из феррита и перлита, до температуры А₁ не испытывают никаких превращений, поэтому такой нагрев с точки зрения изменения свойств не имеет смысла. Выше А₁ структура, состоящая из феррита и перлита, претерпевает превращения с сохранением того же феррита, но вместо перлита – образуется аустенит. Этот процесс перехода Ф+П → Ф+А продолжается до температуры А₃. Выше А₃ образуется полностью аустенит. Этот процесс называется аустенитизацией. При нагреве эвтектоидной стали исходная структура перлита выше А₁ переходит в аустенит сразу. При нагреве заэвтектоидных сталей с исходной структурой цементит и перлит сначала выше А₁ структура переходит в смесь цементита и аустенита и только выше Аcm полностью переходит в аустенит.

Таким образом, основная цель нагрева при термообработке – аустенитизация. Механизм образования аустенита носит кристаллизационный характер и состоит в зарождении центров γ-фазы иих дальнейшего роста. Центры образуются на границе раздела «феррит – цементит» на базе фазовых флуктуаций.

После исчезновения феррита и цементита и, естественно, границ между ними, наблюдается только рост зерен аустенита без возникновения новых зародышей. Образовавшийся аустенит неоднороден по содержанию углерода. В участках, прилегавших к бывшему цементиту, содержание углерода значительно выше, чем в участках, прилегавших к ферриту. Под влиянием этого перепада концентрации происходит диффузия атомов углерода, в результате чего происходит стабилизация аустенита. Следовательно, рост участков аустенита происходит вследствие превращения α → γ и диффузии углерода. Процесс завершается полной аустенитизацией.

В процессе аустенитизации происходит не только гомогенизация этой фазы, но и изменение зерна. В момент образования, т.е. при переходе через точку А₁, образуется аустенит из большого числа центров, получается много зерен, т.е. аустенит мелкозернистый. Зерно аустенита в момент образования называется начальным, и оно всегда мелкое.

При переходе через А₁ зерна разных сталей ведут себя по-разному. У одних сталей зерно аустенита начинает интенсивно расти сразу же выше А₁. Такие стали называются наследственно крупнозернистыми. У других сталей мелкое начальное зерно при дальнейшем нагреве сохраняетсямелким вплоть до 930⁰С, и только после этой температуры начинается интенсивный рост зерна. Такие стали называются наследственно мелкозернистыми. Наследственность является технологическим свойством стали. Это понятие нельзя смешивать с действительным зерном, которым является зерно, полученное в результате нагрева при данной термообработке. Размер действительного зерна, который определяет конечные свойства стали, обусловлен температурой нагрева, продолжительностью выдержки при ней и склонностью данной стали к росту зерна при нагреве.

Наследственная зернистость определяется для каждой стали специальными методами, сущность которых заключается в нагреве до температуры 930⁰ С, выдержке 8 часов с последующим охлаждением. Далее определяется величина зерна под микроскопом при х100. Наблюдаемая структура сравнивается с величиной зерна стандартной (эталонной) шкалы, разделенной на баллы. Сравниванием оценивается балл зерна. Если данная сталь имеет зерно балла 1…5, то считается, что сталь наследственно крупнозернистая, если зерно 6...15 баллов – мелкозернистая.