Если сталь со структурой аустенита охладить до температуры ниже Аг1У то аустенит претерпит превращение. Скорость превращения и строение продуктов распада аустенита зависят от степени переохлаждения, т.е. от температуры, при которой оно происходит.
Закономерности этого процесса характеризуются диаграммой изотермического превращения переохлажденного аустенита (рис. 4.4).
Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур выше Ас3 с целью получения стабильного аустенита, а затем быстро охлаждают до
Количество распавшегося аустенита, % Мк Конец превращения А-*-М |
Т =550...580°С х, с р
Троостит
Рис. 4.4. Построение диаграммы изотермического превращения переохлажденного
Аустенит |
Тпр< 250 °С |
Мартенсит Б«-А |
Тпр= 250...500 °С Бейнит |
Тпр= 590...640 °С |
Сорбит |
аустенита в эвтектоидной стали: а — кинетические кривые; б — диаграмма изотермического превращения аустенита; в — графическое изображение структур
температур ниже Агх (например, до 700, 600, 500, 400, 300 °С и т.д.) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита.
Превращения аустенита при постоянных температурах ниже Агг описываются кинетическими кривыми (рис. 4.4, а), показывающими количество распавшегося аустенита в зависимости от времени, прошедшего с момента начала его распада. Как видно из рисунка, после охлаждения стали до температур ниже критической точки А! должен пройти инкубационный период 0-Н, в течение которого сохраняется метастабильный аустенит. По истечении этого периода аустенит начинает распадаться с образованием более стабильных структур. Распад аустенита заканчивается в момент, определяемый точкой К. Скорость распада в процессе выдержки при фиксированной температуре сначала быстро растет, а затем, после распада около 50 % аустенита, постепенно замедляется.
Кинетические кривые распада аустенита для различных температур дают возможность построить диаграмму изотермического превращения аустенита (см. рис. 4.4, б). Для ее построения отрезки времени, соответствующие началу (Н1г Н2, Н3) и концу (К 1, К2, К3) распада аустенита для каждой температуры, переносят на график температура — время и одноименные точки соединяют кривыми. Эти кривые по форме напоминают букву С, поэтому их называют С-образными кривыми. Левая кривая характеризует начало распада аустенита, правая — время полного распада. Область, лежащая левее кривой начала распада аустенита, определяет продолжительность инкубационного периода. Это область метастабильного аустенита. Устойчивость переохлажденного аустенита и скорость его превращения зависят от степени его переохлаждения. Как видно из диаграммы, аустенит обладает наибольшей устойчивостью при температурах немного ниже критической точки Aj и немного выше критической точки начала мартенситного превращения Мн. При этих температурах левая кривая наиболее удалена от вертикальной оси. Наименее устойчив аустенит при температуреt2= 550 °С — левая кривая наиболее близко расположена к вертикальной оси. Время устойчивости аустенита при данной температуре — 1,0...1,5 с.
В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области его превращения: перлитную область, которой соответствует температурный интервал от 727 до 550 °С; область промежуточного превращения — от 550 °С до температуры начала мартенситного превращения (Мн) и мар- тенситную область — ниже температуры Мн.
Перлитное превращение переохлажденного аустенита происходит в области температур, где скорости диффузии достаточно высокие и процесс образования перлита определяется скоростями зарождения центров кристаллизации и их роста. Оба фактора зависят от степени переохлаждения. Образование зародышей цементита происходит на границе зерен аустенита. При этом аустенит, прилегающий к зародышам цементита, обедняется углеродом, что приводит к образованию зародышей феррита. От одного центра идет рост чередующихся пластинок цементита и феррита до их столкновения с кристаллами составляющих перлита, растущими из других центров. Степень дисперсности перлитной структуры зависит от температуры превращения: чем больше переохлаждение, тем тоньше пластины. Эта закономерность и графическое изображение структур показаны на рис. 4.4, в, а микроструктуры сплавов — на рис. 4.5.
На рис. 4.5, а отчетливо видна структура перлита, состоящая из чередующихся участков цементита (черные) и феррита (светлые), которые параллельны и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга. Структура троостита закалки (рис. 4.5, б) включает феррит и цементит, но в отличие от перлита плотность цементитных пластинок очень велика, а расстояние между ними очень мало. На рис. 4.5, в области верхнего бейнита окружены участками доэвтектоидного феррита (белый) и мартенсита; нижний бейнит (рис. 4.5, г) состоит из бейнитных игл и мартенсита (белый непротравленный фон).
Дисперсность перлитных структур принято оценивать межпластинчатым расстоянием Д0, за которое принимают среднюю суммарную толщину соседних пластинок феррита и цементита. В зависимости от дисперсности продукты распада аустенита имеют различное название: перлит, сорбит и троостит. Основные характеристики этих структур приведены в табл. 4.1.
Перлит, сорбит и троостит являются ферритоцементитными смесями, имеющими пластинчатое строение, и различаются лишь степенью дисперсности. Однако такое деление перлитных структур условно, так как дисперсность смесей монотонно увеличивается с понижением температуры превращения.
Рис. 4.5. Микроструктуры семейства перлитов и бейнитов: а — пластинчатый перлит; б — троостит закалки; в — верхний бейнит; г — нижний бейнит |
Таблица 4.1
Характеристики продуктов распада аустенита
|
В доэвтектоидных сталях при температуре ниже Аг3 превращение аустенита начинается с выделения феррита, а в заэвтекто- идных — вторичного цементита. Начало выделения избыточного феррита (вторичного цементита) на диаграмме характеризуется добавочной штриховой линией.