Превращения в сталях при охлаждении

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева выше точки Ас₃ (для доэвтектоидной стали), выше Аcm (для заэвтектоидной) или выше Ас₁ (для эвтектоидной), охладить ниже точки А₁, то начнется превращение аустенита по реакции: А → Ф+Ц.

Исходная фаза – аустенит есть γ-Fе, в котором углерода столько, сколько было в исходной стали. В результате превращения образуются две новые фазы. Феррит – это α-Fе, почти не содержащее углерода, и цементит Fе₃С, содержащий 6,67 %. Следовательно, должно произойти диффузионное перераспределение углерода и полиморфное γ → α превращение. Первый элементарный процесс (диффузия) с понижением температуры распада аустенита снижается и при температурах порядка 200...220⁰ С (обозначим эту температуру М_Н) вообще исчезает. Второй процесс (превращение γ → α) ускоряется с понижением температуры, т.к. увеличивается разность термодинамических потенциалов γ-Fе и а-Fе,что должно ускорять распад аустенита с увеличением переохлаждения. Таким образом возникает сложное влияние степени переохлаждения на скорость распада аустенита ниже А₁, а именно, сначала процесс должен ускоряться, т.к. диффузия ‘‘не мешает’’, а дальше процесс должен замедляться из-за снижения скорости диффузии. Различная скорость распада аустенита при разных температурах ниже А₁ приводит и к различным механизмам распада переохлажденного аустенита. Эти сложные процессы описываются диаграммами, которые строят экспериментально, но которые служат для теоретического анализа процессов структурообразования при температурах ниже А₁. Эти графики называются диаграммами изотермического распада переохлажденного аустенита. Типичная такая диаграмма, построенная для стали, содержащей 0,8 % С, приведена на рис.29.

Рисунок 29 – Диаграмма изотермического распада аустенита

эвтектоидной стали

Введем обозначения:

А₁ – температура критической точки. Выше этой температуры у эвтектоидной стали существует устойчивый аустенит.

Ниже этой температуры начинается распад аустенита, но опыт показывает, что будучи охлажденным ниже А₁, аустенит начинает распадаться не сразу, а в течение времени от оси ординат до точек линии начала превращения (в виде буквы «С») существует метастабильный аустенит, т.е. линия начала превращения – это начало диффузионного распада аустенита. Процесс этот продолжается до линии конца превращения (тоже напоминающей букву «С»), т.е. правее линии конца превращения существуют продукты распада аустенита. Какие это продукты? Опыт показывает: если аустенит распадается в диапазоне температур А₁…650 ⁰С, то образуется пластинчатая смесь феррита и цементита с толщиной пластин в пределах 0,6...1,0 мкм, с твердостью 180...250 НВ. Такую структуру называют перлитом (П). Если распад аустенита протекает в диапазоне температур 650...600⁰С, образуется более дисперсная смесь пластин феррита и цементита с толщиной пластины 0,25...0,30 мкм, с твердостью 250...350 НВ. Такую структуру называют сорбитом (С). Наконец, если распад аустенита протекает в диапазоне температур 650...550⁰С (t*), то образуется еще более тонкая пластинчатая смесь феррита и цементита, толщина пластин которой 0,1...0,15 мкм, с твердостью 350...450 НВ. Такую структуру называют трооститом (Т). Следовательно, П, С, Т – структуры одной физической природы, представляют собой механическую смесь феррита и цементита, отличаются дисперсностью. Чем ниже температура образования структуры, тем выше ее дисперсность, выше твердость и прочность стали. Диапазон образования П, С, Т (от А₁ до t*) называют перлитным превращением. Это превращение подчиняется основным законам кристаллизационного процесса.

Если распад аустенита происходит в диапазоне температур t* (550⁰С)…М_Н (220⁰С), то превращение протекает в условиях затрудненной диффузии. Образуется особая структура, получившая название бейнит, а само превращение называется бейнитным (промежуточным). Бейнит – это структура, состоящая из а-раствора перистой формы с повышенным содержанием углерода и мелких частиц цементита. Сталь с бейнитной структурой имеет твердость в пределах 450...550 НВ, высокий уровень прочности и умеренной пластичности и вязкости. Это объясняется повышенным содержанием углерода и большой плотностью дислокаций в бейнитной а-фазе, а также образованием дисперсных карбидов, расположенных в кристаллах этой фазы.

Если распад аустенита происходит при еще более низких температурах, когда диффузия становится невозможной (ниже точки М_Н, см. рис.29), возникает особое превращение, называемое мартенситным. Мартенситное превращение – бездиффузионное, образуется особая структура – мартенсит.

Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в а-Fе. Его характерные свойства: высокая твердость (до 650НВ), хрупкость, имеет тетрагональную кристаллическую решетку (кубическая а-решетка «вытянута» вдоль одной грани, т.е. с > а), игольчатую форму кристаллов. Чем выше содержание углерода, тем выше твердость мартенсита. Мартенситное превращение имеет следующие особенности:

1) превращение бездиффузионное;

2) изотермически не образуется;

3) большая скорость роста кристалла (около 1 км/с);

4) протекает в диапазоне температур: имеет температуру начала и конца превращения, положение которых зависит от содержания углерода и др. легирующих элементов;

5) не идет до конца: наряду с мартенситом всегда имеется не распавшийся аустенит, который называется остаточным.