Термическая обработка стали.

5.2.1.Превращения в стали при равновесном нагреве

и охлаждении

При нагреве, первое превращение стали происходит при температуре около 727^о С. Оно состоит в превращении ферритно-цементитной смеси (перлита) в аустенит, являющимся твердым раствором внедрения углерода в g-железо.

Температура начала превращения перлит-аусенит (П-А), является первой критической точкой (обозначают Ас₁). При температуре выше Ас₁ аустенит является более равновесной структурой, чем перлит (обладает меньшим запасом свободной энергии).

На линиях SG и SE находятся критические температуры, выше которых сталь приобретает однофазную структуру аустенита. Точки, лежащие на линии SG, принято обозначать Ас₃, а на линии SE - Ас_m.

При дальнейшем нагреве доэвтектоидных сталей, начиная с температур равных Ас₃+(30-50)^о С наблюдается заметный рост зерна аустенита, приводящий к снижению прочности термической обработки стали (если такова была). В заэвтектоидных сталях это неблагоприятное явление происходит начиная с температур нагрева Ас₁+(30-50)^о С.

В связи с изложенным температуры нагрева стали при термической обработке обычно ограничиваются указанными величинами.

При охлаждении, доэвтектоидной стали, по достижении температуры ниже линии SG аустенит начинает распадаться. При температуре, обозначаемой критической точкой Аr₁, аустенит превращается в перлит. Таким образом при равновесном охлаждении получается исходный равновесный структурно-фазовый состав Ф +П.

Аусенит заэвтектоидной стали аналогично переходит а структуру П +Ц.

При медленном охлаждении в доэвтектоидной стали формируются довольно крупные зерна избыточного феррита.

Однако термообработка в большинстве случаев производится с целью получения у стали более высоких показателей прочности. В связи с этим режим обработки должен быть построен таким образом, чтобы получающаяся после ее завершения дислокационная структура характеризовалась более высокой плотностью дислокаций и наличием в ней элементов, затрудняющих процесс пластической деформации (дислокационные стенки, атмосферы Коттрелла, стопоры).

Кроме того, режим термической обработки должен строиться и с учетом возможности управления прочностью за счет регулирования размера зерен.

5.2. 2. Диаграмма изотермических превращений аустенита.

Мартенситное превращение

Получающаяся в результате термообработки дислокационная структура стали и ее структурно-фазовый состав зависят в основном от скорости охлаждения аустенита и предопределяются содержанием углерода и легирующих элементов в стали.

Рассмотрим диаграмму изотермических превращений эвтектоидной стали. Эта диаграмма (рисунок 5.1) составлена в координатах «время – температура изотермической выдержки». Диаграмма представляет собой две С-образные кривые.

Диаграмма заключена между двумя критическими изотермами, из которых изотерма А₁ соответствует равновесному превращению «аустенит-перлит», а изотерма М_н – началу так называемого мартенситного превращения.

Левая С-кривая является геометрическим местом точек начала превращения (распада) аустенита. Время окончания превращения ограничивается правой С-кривой.

Весь диапазон температур изотермических превращений можно разбить на две части с границей соответствующей температуре 550^о.

А) Ниже точки А₁ ГЦК аустенита обязательно должна бездифузионно перестроиться в ОЦК решетку феррита, способную растворить намного меньшее количество углерода. Оказавшийся «лишним» углерод, при медленном охлаждении, может выходить из ОЦК и образовывать карбиды железа.

Б) Основной причиной аллотропического превращения является стремление сплава обладать минимумом свободной энергии. Следовательно, чем ниже температура переохлажденного аустенита, при изотермическом превращении, тем сильнее его склонность к распаду.

В верхней области диффузионные процессы протекают достаточно эффективно. В связи с этим находившиеся ранее в ГЦК решетке аустенита атомы углерода имеют возможность выходить из бездифузионно образовавшейся ОЦК решетки, тем самым обеспечивается возможность формирования ферритной фазы с равновесным (т.е. незначительным) содержанием растворенного в ней углерода.

По этой же причине создаются благоприятные условия для образования освобождающимися из раствора атомами углерода пластинок карбидной фазы, приобретающей стабильный состав цементита Fe₃S.

Началу распада аустенита предшествует инкубационный период.

При снижении температуры его продолжительность уменьшается. Уменьшается и расстояние между S кривыми. Оба эти фактора обусловливают уменьшение размера пластинок феррита и цементита. Чем меньше их размер, тем выше их твердость. Поэтому весь диапазон температур верхней зоны условно принято делить на три части, в каждой из которых образуются разные по свойствам продукты распада аустенита: перлит, сорбит и тростит.

Распад аустенита в области температур ниже 550^о С происходит при явно недостаточной скорости диффузионных процессов. Образующуюся структуру называют бейнитом. С понижением температуры распада твердость бейнита возрастает, так как все больше углерода остается в пересыщенном альфа-железе. Количество образующегося карбида, наоборот уменьшается.

Если переохладить аустенит до точки М_н , то начнется так называемое мартенситное превращение, происходящее при непрерывном охлаждении в интервале температур от М_н до М_{к ,} лежащей (при С более 0,8%) ниже 0^оС.

Суть его состоит в том, что в этих условиях происходит только бездифузионное аллотропическое превращение гамма-железа в альфа-железо. Все атомы углерода остаются внутри кристаллической решетки, внося в нее существенные изменения и внутренние напряжения.

Образующийся таким образом продукт – мартенсит – представляет собой пересыщенный, а потому неравновесный твердый раствор внедрения углерода в альфа-железо. Он имеет игольчатую структуру.

В связи со значительной пересыщенностью элементарная ячейка кристаллической решетки мартенсита оказывается несколько вытянутой по одной из осей (и получает название тетрагональной). Отношение с/а называется степенью тетрагональности ячейки. Она тем выше, чем больше углерода растворено в мартенсите.

Находясь в октапоре, атом углерода двумя из четырех своих валентных электронов образует ковалентные связи с двумя ближайшими атомами железа. Остальные два электрона внешней оболочки переходят в электронный газ, образуя металлическую связь между атомами решетки.

Образующиеся в мартенсите трехцентровые ковалентные связи Fe-C-Fe почти на порядок сильнее металлических. К тому же они являются очень жесткими связями, допускающие лишь небольшие упругие деформации, превышение которых влечет полное скачкообразное исчезновение взаимодействия. Именно по этой причине мартенсит очень тверд и хрупок. В мартенсите очень высокий уровень остаточных внутренних напряжений и большая плотность дислокаций.

5.2.3. Превращения аустенита при непрерывном охлаждении

Важнейший вывод из изучения изотермических превращений аустенита сводится к тому, что характер образующихся в результате его распада продуктов по составу, строению и размеру входящих в эти продукты фаз зависит от температуры превращения.

От скорости охлаждения зависит температурный интервал превращения аустенита, продолжительность превращения, а также характер и свойства получающегося продукта.

Скорость охлаждения регулируется составом и свойствами охлаждающей среды, в качестве которой могут быть вода, минеральное масло, воздух, водные растворы (иногда расплавы) солей и щелочей.

Рассмотрим особенности превращения аустенита с 0,8% С при различных скоростях охлаждении: (рис. 5.2).

При очень малых скоростях v₁ охлаждения (рисунок 5.2) при распаде аустенита получается перлит, при несколько более высоких (v₂) – сорбит, при ускоренном охлаждении (v₃) - образуется тростит.

Однако механические свойства продуктов распада аустенита зависят не только от размеров зерен. Определяющее влияние на них оказывают плотность генерируемых при охлаждении дислокаций и уровень остаточных внутренних напряжений. От значений внутренних напряжений зависят интенсивность работы источников Франка- Рида и, следовательно, плотность генерируемых ими дислокаций.

Термические напряжения возникают при всяких изменениях температуры сплава. Они обусловлены разницей удельных объемов существующих в едином монолите слоев металла. Эти напряжения тем выше, чем больше скорость изменения температуры.

Фазовые напряжения возникают в процессе превращения аустенита в другие структуры (фазы), вследствие того, что разные фазы имеют разные удельные объемы.