Превращения при охлаждении сварочной ванны

Различают нормальный, сдвиговый (мартенситный) и проме­жуточный механизмы полиморфных превращений. При нормальном превращении, характерном для ферритного и перлитного γ → α-переходов, кристаллы новой фазы образуются в результате неупорядоченных процессов перемещения атомов через границы исходной и новой фаз.

Линия А → Ф на диаграмме (см. рис. 32, а) характеризует начало распада переохлажденного аустенита с выделением феррита. Феррит представляет собой твердый раствор углерода в α-Fe. Растворимость углерода в α-Fe максимальна (0,025 %) при 727 ⁰С, а при нормальной температуре снижается в десятки раз.

Наличие в объеме γ-фазы участков, флуктуационно обедненных углеродом, предопределяет возможность возникновения ферритной фазы при охлаждении аустенита. В зависимости от температуры аустенитизации, а следовательно, от размера исходного зерна аустенита при его охлаждении возникают различные разновидности феррита. При медленном охлаждении аустенит распадается с образованием полиэдрического феррита, а при быстром охлаждении — игольчатого феррита. Местом зарождения полиэдрического феррита являются преимущественно границы исходного аустенитного зерна.

В отличие от нормального механизма образования феррита крупнозернистый аустенит сталей, содержащих 0,08…0,4 % С, при относительно быстром охлаждении распадается с образованием видманштеттового феррита, имеющего четко выраженную крупноигольчатую структуру. Для видманштеттового феррита, который наиболее часто встречается в сварных соединениях низкоуглеродистых сталей, выполненных ЭШС, характерны повышенная плотность дислокаций и отсутствие карбидных включений в кристаллах.

Рисунок 32 – Диаграмма изотермического превращения аустенита (а)

и структурная диаграмма (б) низколегированной стали 15ХГ

Появление в структуре видманштеттового феррита определяется малой удельной поверхностью границ зерен и повышенной химической однородностью аустенита при относительно низком содержании углерода. Установлено, что механизм образования такого феррита совпадает с механизмом образования мартенсита, о чем свидетельствуют появление характерного микрорельефа на поверхности шлифа и рост кристаллов в пределах одного зерна аустенита.

Скорость роста ферритного зерна лимитируется скоростью диффузионного перераспределения углерода и соответствует 0,02…0,08 мкм/с, а скорость роста видманштеттового феррита составляет 1…10 мкм/с.

С повышением содержания углерода в сталях от 0,10 до 0,4 % температура начала образования видманштеттового феррита снижается более чем на 100 ⁰С (с 810 до 690 ⁰С), при этом возрастает объем ферритной фазы в конечной структуре.

Легирование сталей кремнием и марганцем (до 2 %) снижает скорость роста видманштеттового феррита примерно в 10 раз, т. к. при этом рост кристаллов видманштеттового феррита лимитируется процессом диффузионного перераспределения углерода.

Схожесть механизмов образования видманштеттового феррита и мартенсита подтверждается высокой плотностью дислокаций в кристаллах видманштеттового феррита.

Выделение структурно-свободного феррита предшествует перлитному превращению аустенита. При дальнейшем охлаждении аустенита образуется ферритно-цементитная смесь – перлит, линия А → П (см. рис. 32, а). Составляющие этой смеси имеют пластинчатую форму. С увеличением интенсивности охлаждения (уменьшением длительности интервала 800…600 ⁰С) содержание перлита в структуре сначала увеличивается до максимального значения, а затем уменьшается.

Зародыши цементита появляются в обогащенных углеродом участках γ-фазы, на границах бывшего зерна аустенита, на нерастворившихся карбидных частицах. Важнейшими характеристиками перлитной структуры являются межпластиночное расстояние и размеры колоний.

Размер перлитных колоний зависит от соотношения линейных скоростей роста и скорости зарождения центров перлита. Дисперсность перлитных колоний определяют два процесса – рост зерна аустенита и повышение степени его гомогенизации. При этом, с одной стороны, уменьшается число центров зарождения перлитных колоний, а с другой – укрупняются перлитные колонии. Одновременно уменьшается межпластиночное расстояние, так как гомогенное и крупное зерно аустенита способно к большему переохлаждению. Этот процесс ограничивают легирующие элементы, оказывая замедляющее влияние на диффузию углерода.

Замедление перлитного превращения в сталях при их легировании карбидообразующими элементами связано с процессами образования специальных карбидов и необходимостью диффузионного перераспределения в аустените легирующих элементов в процессе охлаждения. Поскольку скорость протекания перлитного превращения определяется процессами диффузии углерода, то легирование сталей карбидообразующими элементами повышает энергию активации диффузии углерода, существенно замедляет, а в ряде случаев и подавляет перлитное превращение.

Так, скорость роста перлита в стали с 0,5 % Мо составляет примерно 0,02 мкм/с. Легирование сталей такими элементами, как Cr, Mo, W, V, Ti, Nb, Zr способствует повышению устойчивости аустенита в перлитной области, уменьшает скорость зарождения и скорость роста перлитной фазы. С этой точки зрения особенно велика роль таких элементов, как Сг, Ni, Mo, W и их сочетаний, существенно повышающих энергию активации образования перлита в результате сильного межатомного взаимодействия.