Изотермический распад переохлажденного аустенита

В разделе 8 рассмотрены два предельных случая охлаждения аустенита. Показано, что при малых скоростях охлаждения аустенит претерпевает диффузионное (перлитное), а при скоростях охлаждения – бездиффузионное (мартенситное) превращение. Логично предположить, что, охлаждая аустенит с некоторыми промежуточными скоростями, превращения будут носить смешанный (и диффузионный, и бездиффузионный) характер.

Для описания процессов распада аустенита в современном металловедении широко применяется диаграмма изотермического (проходящего при постоянной температуре) распада переохлажденного аустенита.

Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита (то есть выше т. ). Затем образцы быстро охлаждают до температур ниже (например, до 700, 600, 500, 400, 300 °С) и выдерживают при этих температурах до полного распада аустенита.

При построении диаграммы изотермического распада для охлаждения образцов используют среды с высокой теплоемкостью (например, расплавы металлов), температура которых не меняется со временем.

Результаты исследований будет характеризовать кривая, показывающая количество распавшегося аустенита в зависимости от времени и степени переохлаждения (рис. 9.1).

100 % А 50 % 50 %   100 % П

Рис. 9.1. Методика построения диаграммы изотермического

распада переохлажденного аустенита

А – аустенит; П – перлит; , , , , – время начала распада аустенита; , , , , – время окончания распада аустенита; кривая 1 – начало распада аустенита; кривая 2 – окончание распада аустенита; кривая 3 – начало мартенситного превращения;

кривая 4 – окончание мартенситного превращения.

Как видно из рисунка, в течение некоторого времени ( , , , , ) распад аустенита не происходит. Это время называют «инкубационный период». Очевидно, что в течение инкубационного периода, аустенит будет являться термодинамически неустойчивой фазой («переохлажденный аустенит»). По прошествии инкубационного периода начнется распад переохлажденного аустенита, который полностью закончится через некоторое время , , , , . Время начала и конца распада будет зависеть от степени переохлаждения аустенита.

Обратите внимание, что при температурах 500 – 600° С устойчивость переохлажденного аустенита минимальна (мало время инкубационного периода). Дело в том, что устойчивость аустенита зависит от двух факторов, противоположно влияющих на скорость превращения. Снижение температуры (увеличение степени переохлаждения), с одной стороны, увеличивает разность свободных энергий ( ), что ускоряет превращение, а с другой – вызывает уменьшение скорости диффузии углерода D (см. рис. 9.2). Суммарное действие этих факторов приводит к тому, что вначале скорость превращения V возрастает, достигает максимума, а затем – убывает.

Рис. 9.2. Скорость распада аустенита V в зависимости

от степени переохлаждения DF и скорости диффузии D

В предыдущем разделе было отмечено, что одним из необходимых условий для протекания диффузии углерода является высокая температура. С уменьшением температуры скорость диффузии уменьшается, а при температурах ниже 200 °С скорость диффузии углерода будет равна нулю.

Следовательно, при переохлаждении аустенита ниже 200°С будет происходить его бездиффузионное (мартенситное) превращение.

Построенные кривые, характеризующие кинетику распада переохлажденного аустенита (рис. 9.1) позволяют построить диаграмму изотермического распада переохлажденного аустенита. Для этого необходимо отрезки времени, соответствующие началу ( , , , , ) и концу распада ( , , , , ) аустенита, для каждой из исследуемых температур (700, 600, 500, 400, 300 °С) перенести на график, на котором по шкале абсцисс откладывают время (обычно в логарифмическом масштабе), а по шкале ординат – температуру (рис. 9.1). Таким образом, на построенной диаграмме кривая 1 будет соответствовать началу, а кривая 2 – концу распада аустенита. Левее кривой 1 лежит область существования переохлажденного аустенита, между кривыми 1 и 2 – область распада аустенита, а правее кривой 2 – продукты распада. Так как диффузия углерода при температуре ниже 200 °С невозможна, то в этой области температур будет происходить мартенситное превращение. Линия 3 будет соответствовать началу мартенситного превращения (температура Мн). Линия 4 соответствует концу мартенситного превращения (температура Мк). Точка Мк обычно находится в области отрицательных температур.

На диаграмме изотермического распада различают три основных вида превращения: перлитное (диффузионное – происходящее при малых степенях переохлаждения), мартенситное (бездиффузионное –происходит при переохлаждении до температур ниже т. Мн) и бейнитное (промежуточное между диффузионным и бездиффузионным).

1. Продукты перлитного превращения имеют пластинчатое строение и представляют собой феррито-цементитные смеси различной степени дисперсности. Чем больше степень переохлаждения, тем тоньше феррито-цементитная структура (меньше расстояние между пластинками цементита и феррита ). Чем больше степень дисперсности феррито-цементитной смеси, тем выше предел прочности, твердость, пределы текучести и выносливости получаемых структур. Напротив, относительное удлинение и относительное сужение наивысшее у перлита. В зависимости от степени переохлаждения и дисперсности продуктов распада в области перлитного превращения различают структуры перлита, сорбита и тростита*.

Межпластинчатое расстояние и твердость HB
продуктов перлитного превращения

	Перлит	Сорбит	Тростит
, мкм	0,6 – 1,0	0,25 – 0,30	0,20 – 0,15
НВ, МПа	1800 – 2500	2500 – 3500	3500 – 4500

2. Бейнитное превращение происходит в интервале температур ниже перлитного и выше мартенситного, поэтому его принято называть промежуточным. Обычно бейнит подразделяют на верхний и нижний, образующийся соответственно в верхнем и нижнем интервале температур бейнитного превращения.

3. Выделим ряд характерных особенностей мартенситного превращения:

1) Мартенситное превращение по своей сути является бездиффузионным. Концентрация углерода в мартенсите такая же, как и в исходном аустените.

2) Кристаллическая решетка мартенсита не кубическая, а тетрагональная (ОЦТ), при этом тетрагональность решетки (отношение с/а) увеличивается с ростом содержания в стали углерода.

3) Мартенситное превращение протекает в определенном интервале температур (начало – т. Мн, конец – т. Мк). Так как точка Мк лежит в области отрицательных температур, то превращение аустенита в мартенсит идет не до конца: в стали всегда существует остаточный аустенит.