производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 5.1/ 5.1.3. Превращения в стали при охлаждении

При термической обработке режимы нагрева сталей и чугунов определяются диаграммой железо — цементит. Эта диаграмма, построенная для бесконечно большого количества сплавов, описывает их структуры в равновесном состоянии, т.е. полученные в результате весьма медленных нагрева и охлаждения. Таким образом, она не учитывает скоростей нагрева, а главное, и охлаждения, которые весьма существенно влияют на структуру и свойства сплавов системы Fe — Fe3C.

Структуры, получаемые при различных скоростях охлаждения, описываются диаграммой изотермического превращения аустенита (рис. 5.6). Эта диаграмма строится в координатах время τ, или Igτ, — температура t для сплава (стали) одного состава. Таким образом, для каждой стали эта диаграмма имеет свой вид.

Рассмотрим превращения аустентита при охлаждении с различными скоростями на примере эвтекгоидной стали (0,8% С, см. рис. 5.6). Превращения по механизму их протекания можно разделить на перлитное, бейнитное и мартенситное.

Рис. 5.6. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали (0,8 % С)

Перлитное превращение заключается в распаде аустенита на феррит и цементит A0,8 → П0,8[Ф 0,02 + Ц6,67], которое протекает при медленном охлаждении (см. рис. 5.6).

При температуре выше А1 (область I на диаграмме) аустенит является равновесной фазой, т. е. при этой температуре такая структура будет оставаться неизменной бесконечно долго. При температуре А1, аустенит и перлит находятся в равновесии.

Для превращения аустенита в перлит необходимо некоторое переохлаждение, чтобы свободная энергия перлита стала меньше, чем у аустенита. Таким образом, при понижении температуры ниже А1 (область II) аустенит становится неустойчивым, переохлажденным и через определенное время начнется его распад на ферритно-цементитную структуру.

При малой степени переохлаждения параметры кристаллизации (число центров кристаллизации и скорость их роста) низки, поэтому превращение начинается через достаточно длительное время. Такой же эффект будет и при большой степени переохлаждения (см. рис. 2.14). Это означает, что наибольшая скорость кристаллизации (т.е. превращения А  II) будет достигнута при некоторых промежуточных (средних) степенях переохлаждения. Другими словами, кривая начала распада (кривая а на диаграмме) должна иметь минимум по координате т (время) — быть С-образной. Действительно, при температуре 550 °С достигается наименьшая устойчивость переохлажденного аустенита. При этой температуре время существования переохлажденного аустенита минимально, для углеродистых сталей — 1... 2 с. Аналогичный вид имеет кривая конца превращений (кривая б). Форма этих кривых определила второе название диаграммы изотермического превращения — С-образная диаграмма.

На диаграмме в области левее первой кривой находится переохлажденный аустенит (см. рис. 5.6). Он претерпевает распад между кривыми начала и конца превращения — это кривые ап б, которые ограничивают область существования трех фаз: аустенита, феррита и цементита (область III). При превращении аустенита в перлит происходят как диффузионные, так и бездиффузионные процессы.

Диффузионные процессы заключаются, во-первых, в выделении из аустенита кристаллов цементита и, во-вторых, в их росте. Вследствие выделения цементита из аустенита концентрация углерода в нем снижается (А0,8 → А0,02 ).

При содержании углерода в аустените, равном 0,02 %, что соответствует максимальной растворимости углерода в феррите при 727 °С — точке Р на диаграмме Fе— Fе3C (см. рис. 4.2), происходит бездиффузионное превращение аустенита в феррит (А0,02 → Ф0,02) с изменением кристаллической ГЦК решетки на ОЦК.

Меняя скорость охлаждения, т.е. степень переохлаждения, мы можем влиять на диффузионные процессы, которые развиваются во времени, но не можем управлять бездиффузионными процессами, происходящими с очень большой скоростью, практически мгновенно.

Подавление, в большей или меньшей степени, второй стации диффузионного процесса — роста (коагуляции) кристаллов цементита — позволяет получить структуры с разными размерами этих кристаллов (разной дисперсностью). Таким образом, структура и свойства продуктов распада аустенита зависят от температуры превращения.

В том случае, если превращение происходит при высоких температурах, т.е. низкой скорости охлаждения и малой степени переохлаждения, которым соответствует луч 1 (см. рис. 5.6), получается грубая смесь феррита и цементита (его кристаллы успели вырасти), которая называется перлитом. Эта структура является равновесной, поэтому именно она описывается диаграммой состояния Fe — Fe3C.

Понижение температуры превращения, следовательно, ускорение охлаждения, приводит к меньшей степени роста кристаллов цементита (луч 2), что вызывает образование смеси более тонкого строения, которая получила название сорбит.

При еще более низкой температуре превращения образуется троостит — дисперсная структура (луч 3).

Таким образом перлит, сорбит и троостит — это ферритно-цементитные смеси (область IV) различной дисперсности. Цементит этих структур имеет пластинчатое строение.

Рис. 5.7. Диаграммы изотермического превращения аустенита: а — доэвтектоидная сталь; б — заэвтектоидная сталь

Твердость и прочность ферритно-цементитных смесей тем выше, чем тоньше строение цементита и дисперснее его структура. Так, для стали с 0,8 % С твердость перлита, сорбита и троостита примерно составляет 200; 300 и 400 НВ соответственно.

Изотермическое превращение аустенита в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях отличается от превращения в эвтектоидной стали. В верхнем интервале температур сначала происходит выделение из аустенита избыточных фаз: феррита в доэвтектоидных сталях и цементита в заэвтектоидных. Выделение этих фаз описывают дополнительные линии на диаграммах (рис. 5.7). Однако выделение избыточных фаз возможно только при небольших степенях переохлаждения; при значительном переохлаждении распад аустенита происходит без их предварительного выделения. В этом случае содержание углерода в образующейся ферритно-цементитной смеси будет отличаться от эвтектоидного. Сорбит и троостит в доэвтектоидных сталях содержат менее, а в заэвтектоидных более 0,8 % углерода.

Мартенситное превращение происходит при охлаждении с весьма высокой скоростью (луч 4) (см. рис. 5.6), когда удается полностью подавить диффузионные процессы (выделение цементита из аустенита), но бездиффузионное (γ → α)-превращение при этом все же происходит. Такое превращение называется мартенситным, а полученная структура — мартенситом.

При бездиффузионном превращении, каким является мартенситное, происходит лишь перестройка ГЦК решетки аустенита в ОЦК решетку a-железа без выделения углерода [Feγ (C)Feα (С)]. Это означает, что содержание углерода в мартенсите сохранилось таким же, каким оно было в исходном аустените, т.е. значительно большим его предельной растворимости в a-железе. В соответствии с диаграммой Fe — Fe3C растворимость углерода при комнатной температуре составляет 0,006 % — точка Q диаграммы Fe~Fe3C (см. рис. 4.2). Таким образом, мартенсит — это пересыщенный и, следовательно, неравновесный твердый раствор углерода в α-железе.

Из-за высокого содержания углерода кристаллическая решетка a-железа сильно искажена. Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку, в которой в отличие от кубической параметр с больше параметра а (рис. 5.8). Отношение с/а называется степенью тетрагональности. С увеличением содержания углерода степень тетрагональности растет (рис. 5.9).

Мартенсит имеет высокую твердость, которая повышается с увеличением содержания углерода (рис. 5.10).

Минимальная скорость охлаждения, обеспечивающая подавление диффузионных процессов, называется критической скоростью охлаждения vкр. Графически она представлена касательной к первой С-образной кривой (см. рис. 5.6). При такой и больших скоростях охлаждения аустенит превращается в мартенсит без образования структур перлитного типа.

Рис. 5.8. Тетрагональная решетка мартенсита с параметрами а и с: О — атомы железа; • — атом углерода

Рис. 5.9. Зависимость периодов и степени тетрагональности кристаллической решетки мартенсита от содержания в нем углерода: а и с — параметры кристаллической решетки

Рис. 5.10. Зависимость твердости мартенсита от содержания углерода

Превращение аустенита в мартенсит происходит в интервале температур, ко¬торым соответствует область V на диа¬грамме (см. рис. 5.6). Температура начала мартенситного превращения обозначает¬ся Мн; конца превращения — Мк. Для того чтобы мартенситное превращение проис¬ходило, необходимо непрерывное охлаждение аустенита в интерва¬ле температур Мн — Мк. Если охлаждение прекратить, то превращение аустенита в мартенсит остановится.

Температуры начала и конца мартенситного превращения (точки Мн и Мк) не зависят от скорости охлаждения и определяются химическим составом стали. Чем больше углерода в стали, а при нагреве в аустените, тем ниже эти температуры (рис. 5.11, а). Все легирующие элементы, за исключением кобальта и алюминия, понижают температуры точек Мн и Мк (рис. 5.11, б). Если температура Мк ниже 20 °С (температура цеха, до которой реально происходит охлаждение при закалке), то после закалки в структуре сохраняется аустенит, называемый остаточным.

Мартенситное превращение характеризуется высокой скоростью роста зародышей кристаллов, которая лежит в пределах 1000...7000 м/с.

Кристаллы мартенсита, представляющие собой пластины, обычно ориентированы между собой под углом 60 или 120°.

Рис. 5.11. Влияние содержания в стали углерода на температуру начала Мн и конца Мк мартенситного превращения (я) и легирующих элементов на температуру начала мартенситного превращения Мн (б)

Размеры пластин мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита. Чем больше зерно аустенита, тем крупнее пластины мартенсита. В плоскости шлифа пластины имеют вид игл, поэтому в микроскопе видна игольчатая структура.

Бейнитное (промежуточное) превращение происходит при температурах, когда диффузия атомов железа сильно замедляется, а атомов углерода протекает сравнительно легко (скорость охлаждения выше, чем при образовании троостита, но недостаточна для получения мартенсита). Для превращения характерны особенности как перлитного, так и мартенситного превращений.

В результате промежуточного превращения образуется структура, состоящая из смеси α-железа, часто пересыщенного углеродом (малоуглеродистого мартенсита) и цементита. Эта структура получила название бейнит.

В зависимости от температур образования различают верхний и нижний бейнит, образующиеся соответственно в верхнем или нижнем интервале температур промежуточного превращения.

Верхний бейнит по своему строению напоминает троостит, а нижний — мартенсит. Прочность и пластичность нижнего бейнита выше, чем верхнего.

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.