Изотермическое превращение аустенита

Изотермическое превращение аустенита - это превращение переохлаждённого аустенита при постоянной температуре.

Превращение аустенита в перлит заключается в распаде аустенита - твёрдого раствора углерода в γ-железе, на почти чистое α-железо и цементит.

Реакция изотермического превращения аустенита: Fe_γ(C) → Fe_α + Fe₃C (Цементит)

При температуре равновесия A₁ превращение аустенита в перлит невозможно, так как при этой температуре свободные энергии исходного аустенита и конечного перлита равны. Превращение может начаться лишь при некотором переохлаждении...

На рисунке показано время превращения аустенита в перлит в зависимости от степени переохлаждения, т.е. превращение переохлаждённого аустенита при постоянной температуре. Поэтому такие диаграммы обычно называют диаграммами изотермического превращения аустенита. Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита имеют вид буквы С, поэтому их часто называют С-образными или просто С-кривыми. Горизонтальная линия M показывает температуру начала бездиффузного мартенситного превращения.

Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходил процесс его распада. См. Перлит, Сорбит, Троостит (тростит), Бейнит.

Связь между характером изотермического превращения аустенита, содержанием углерода и температурой показывает обобщённая диаграмма превращения переохлаждённого аустенита в углеродистой стали.

В зависимости от содержания углерода и степени переохлаждения мы имеем такие области превращений аустенита:

I - превращение аустенит → перлит;

II - предварительное выделение феррита и затем превращение аустенит → перлит;

III - предварительное выделение цементита и затем превращение аустенит → перлит;

IV - превращение аустенит → бейнит;

V - превращение аустенит → мартенсит и распад остаточного аустенита с образованием бейнита;

VI - превращение аустенит → мартенсит;

VII - переохлаждённый аустенит сохраняется без превращения.

После рассмотрения процесса превращения аустенита при постоянной температуре и разных степенях переохлаждения можно перейти к рассмотрению процесса распада аустенита при непрерывном охлаждении, когда сталь, нагретая до аустенитного состояния, охлаждается с разной скоростью.

Диаграмма изотермического распада аустенита строится в координатах температура-время; в этих же координатах изображаются и кривые охлаждения.

Для более точной оценки превращений, совершающихся при непрерывно меняющейся температуре, пользуются так называемыми теркмокинетическими или анизотермическими диаграммами превращений аустенита, диаграммами, характеризующими превращение аустенита при различных скоростях охлаждения.

Хотя диаграммы изотермического превращения аустенита дают много сведений о характере превращений, на практике изотермичность превращения достигается далеко не всегда.

Для полной информации о превращении аустенита той или иной марки стали необходимы как диаграммы изотермического превращения аустенита, так и анизотермического превращения, а также ряд дополнительных сведений: марка и состав стали, температура нагрева, размер зерна аустенита, а также свойства (хотя бы твёрдость) продуктов распада и соотношение структурных составляющих.

Подготовлено: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

(второе основное превращение в стали)

При охлаждении аустенита (А) ниже температуры А_с1 происходит его превращение в перлит (П = Ф + Ц), за­ключающееся в перестройке решеток g- в a -железо и вы­делении цементита. Но следует отметить, что как для образования зародышей цементита, содержащего 25 % (ат.) С, так и для возникновения феррита (в a - решетке растворяется лишь 0,023 % С), важную роль играют флуктуации углерода.

Кинетика превращения А ® П как и П ® А подчиняет­ся общим закономерностям фазовых превращений, рас­смотренным в гл. I, при анализе процесса кристал­лизации.

Как и при кристаллизации из жидкости, скорость пре­вращения А ® П определяется скоростями зарождения центров превращения и их роста (см. рис. 12).

Но при рассмотрении превращения А ® П(Ф+Ц) следует учи­тывать, что в системе существуют не две, а три фазы и при оценке флуктуаций энергии, связанных с появле­нием зародышей, т. е. областей с новой упаковкой ато­мов, необходимо рассматривать отдельно вероятность появления фаз различного состава.

Обусловленный пе­реохлаждением системы выигрыш свободной энергии бу­дет расходоваться на образование поверхности раздела фаз и на их дальнейший рост.

Скорость процесса превращения аустенита в перлит описывается той же формулой, что и превращение перлита в аустенит, но только с различными численными значениями констант. Следовательно, скорость распада аустенита, как и других фазовых превращений, зависит от двух факторов, но основным является степень переохлажде­ния DT. Выигрыш свободной энергии смеси Ф+Ц, по сравнению со свободной энергией аустенита, с увеличе­нием переохлаждения растет, но чем больше DT, тем ниже температура превращения и тем медленнее протекает диффузия. Поэтому имеется некоторая оптималь­ная величина переохлаждения, при которой процесс А ® П идет с максимальной скоростью. Это - тем­пература минимальной устойчивости аустенита.

Рис. 70. Схема зарождения новых перлитных колоний

в зернах аустенита при охлаждении:

1 - первичные пластинки цементита в феррите;

2 - вторичные пластинки це­ментита в феррите; 3 - колонии перлита

Зарождение новых перлитных колоний и перестройка начинаются обычно у границ аустенитных зерен (рис. 70) и ведущей фазой является феррит.

При охлаждении гомогенного аустенита (в эвтектоидной стали), образовавшиеся кристаллы феррита и це­ментита (перлита), имеют пластинчатую форму (рис. 71).

Рис. 71. Схема структуры пластинчатого перлита

В углеродистой эвтектоидной стали «толщи­на» пластинок феррита почти не зависит от вели­чины исходного зерна ау­стенита, но существенно уменьшается с увеличени­ем степени переохлаждения. При небольших переохлаждениях толщина пластинок близка к 1000 нм, а с уве­личением переохлаждения снижается до 100…200 м.

В зависимости от полусуммы толщин пластинок феррита и цементита d, различают перлит (d = 700…800 нм), сорбит (d…до 400 нм) и троостит (d до 100…200 нм).

С увеличением степени дисперсности структур пер­литного типа растет прочность и твердость сталей, но снижается пластичность. Лучшим сочетанием прочности и пластичности облада­ют сорбитные стали.

В неоднородном по концентрации углерода аустените (например, в заэвтектоидных сталях при температуре ниже точки A_см) может образоваться не пластинчатый, а зернистый перлит, в кото­ром цементитные частицы имеют форму зернышек. По-видимому, в этих случаях ведущей фазой является це­ментит.

Рис. 72. Схема построения диаграммы изотермического распада

аустенита для эвтектоидной стали:

а - кинетические кривые превращения при разных температурах (t₁ > t₂ > t₃);

Н₁, Н₂, Н₃ - начало превращения; К₁, К₂, К₃ - конец превращения; б - диаграмма превращения

Зависимость количества образовавшегося перлита описывают кинетической кривой (рис. 72, а). Видно, что на кривой имеется некоторый инкубационный период, период быстрого протекания про­цесса и период его затухания. Максимальная скорость процесса соответствует, примерно, моменту полураспада. Началу собственно перлитного превращения в доэвтектоидных сталях предшествует выделение избыточного фер­рита.

Влияние переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость его превращения в перлит обычно представ­ляют в виде диаграмм в координатах температура пре­вращения - десятичный логарифм времени (рис. 72, б), которые строят по кривым типа приведенных на рис. 72, а. Эти диаграммы удобно рассматривать на примере эвтектоидной стали.

Изотермическое превращение А ® П в указанной ста­ли происходит в интервале температур между 727 °С (температура выше которой аустенит в стали устойчив) и 210 °С (температура, ниже которой в этой стали начинается бездиффузионное мартенситное превращение, о котором речь пойдет в следующем разделе.

В области диаграммы, ограниченной С - образными кривыми1 и 2 и происходит превращение А ® П. Линия 1 соответствует началу превращения, линия 2 - его кон­цу. Левее линии 1 существует устойчивый аустенит, пра­вее линии 2 - продукты распада аустенита - Ф + Ц.

Как видно из диаграммы, аустенит наименее устой­чив при температуре 550 °С (в эвтектоидной стали время его устойчивости составляет примерно 1,5 с).

Как выше, так и ниже этой температуры, устойчивость аустенита увеличивается. Наличие минимума устойчиво­сти аустенита объясняется тем, что уменьшение скорости диффузии железа при понижении температуры, компен­сируется увеличением вероятности образования зароды­ша феррита именно при температуре 550°С. При переохлаждениях ниже 550 °С скорость превращения А ® П уменьшается из-за уменьшения скорости роста зароды­шей феррита до критического размера.

В зависимости от величины переохлаждения на ука­занных диаграммах, различают область перлитного пре­вращения (от A_С1 до 550° С) и бейнитного (от 550 °С до точки М_н) или промежуточного превращения.

Промежу­точным оно называется потому, что обладает как чер­тами диффузионного перлитного превращения, так и не­которыми чертами бездиффузионного мартенситного превращения.

Различают структуру верхнего бейнита, который об­разуется при температурах близких к 550 °С и нижнего бейнита, образующегося при температурах близких к М_н. Структура верхнего бейнита (рис. 73, а) похожа на перлитную, т. к. она, как можно видеть при больших увеличениях, - пластинчатая, а структура нижнего бейнита (рис. 73, б), как правило, - игольчатая.

Кинетика перлитного превращения зависит, прежде всего, от химического состава сталей. В углеродистых сталях наиболее устойчивым, характеризующимся самым большим инкубационным периодом, является аустенит эвтектоидного состава. При отклонении содержания уг­лерода от эвтектоидного, инкубационный период умень­шается.

Легирующие элементы оказывают сильное влияние на устойчивость аустенита и кинетику перлитного пре­вращения.

Рис. 73. Микроструктуры бейнита:

а - верхнего (среднеуглеродистая сталь с 0,6% С); б - нижнего бейнита – игольчатого

(сталь с 0,54 %С, 1,2 % Сr, 0,48 % Мо, 4,12% Ni 0,82 % W)

Рис. 74. Диаграмма изотермического превращения аустенита в стали 12ХН3А

Такие элементы как хром, никель и особенно молиб­ден повышают устойчивость аустенита, кобальт же на­оборот, сильно понижает. Ес­ли в состав аустенита входят карбидообразующие легиру­ющие элементы или крем­ний, на диаграмме изотермического превращения аустенита может быть два минимума устойчивости аустенита, соответствующих пер­литному и бейнитному (промежуточному) превращениям (рис. 74).

Эти две области разделены областью относительной ус­тойчивости аустенита. Бейнитное превращение в легиро­ванных сталях имеет особенности по сравнению с углеро­дистыми сталями. В легированных сталях бейнитное пре­вращение протекает не до конца. Часть аустенита, по-видимому, более легированная хромом, при изотермиче­ской выдержке не распадается, а при дальнейшем пони­жении температуры может лишь частично превращаться в мартенсит либо вообще не претерпевать превращения.

Легированная сталь в результате бейнитного превраще­ния имеет структуру, состоящую из некоторого количест­ва мартенсита и доли нераспавшегося аустенита.

Если сталь легирована несколькими элементами, то они могут по-разному действовать на устойчивость аусте­нита в перлитной и бейнитной областях. Так, в низкоуглеродистых сталях с повышенным содержанием никеля, молибдена и вольфрама, превращение в перлитной обла­сти протекает настолько медленно, что экспериментально даже не фиксируется, и на диаграмме существуют лишь линии, соответствующие бейнитному превращению. В других же сталях, например, содержащих 0,4 % С и 10…12 % Сr, в перлитной области скорость превра­щения велика, а в бейнитной ее зафиксировать не уда­ется.

Легирующие элементы влияют и на степень дисперс­ности перлита. Так, кобальт уменьшает размеры пластин, а марганец и молибден - увеличивают. Причем, если в легированных сталях содержатся ярко выраженные карбидообразующие элементы (Ti, V, Nb и др.), то вме­сто цементита часто образуются пластины специальных карбидов (M₇С₃, M₂₃С₆).

В этом случае при одинаковых переохлаждениях пластинки специальных карбидов мень­ше, чем пластины цементита.

Влияние легирующих элементов на кинетику перлит­ного превращения связано с тем, что они замедляя диф­фузию (предельно на 2…3 порядка), прежде всего, позво­ляют значительно увеличить степень переохлаждения аустенита, т. е. понизить температуру превращения А ® П. Кроме того, они снижают не только скорость превращения, но и скорость образования карби­дов.

При очень высоких степенях переохлаждения аустенита резко снижается диффузионная подвижность атомов. (В частности, у эвтектоидной стали она близка к нулю при температуре 240°С). При таких температурах g-железо превращается в a-железо, а весь растворенный в g-железе углерод не успевает покинуть раствор и перенасыщает a-железо. Перенасыщенный раствор углерода в a-железе называют мартенситом.

Мартенсит - неравновесная фаза. В равновесии a-железо растворяет максимум 0,006% углерода, а мартенсит может содержать углерода столько, сколько его было в исходном аустените. В результате этого решетка a-железа теряет кубичность и становится тетрагональной. Из-за этого появляются избыточные внутренние напряжения, и мартенсит оказывается очень твёрдой и хрупкой фазой.

Мартенситное превращение наблюдается при скоростях охлаждения аустенита выше критической (v_кр). При таких скоростях охлаждения удаётся обойти зону перлитного превращения 3 и попасть в зону мартенситного превращения 5 (рис. 7.2.).

Мартенситное превращение начинается при температуре М_Н и заканчивается при температуре М_К. Его особенностью является то, что оно идёт только при непрерывном охлаждении. Остановка в охлаждении приводит к стабилизации аустенита, и последующее охлаждение уже не приводит к его распаду. Превращение имеет бездиффузионный, сдвиговый характер. Поэтому кристаллическая решетка мартенсита оказывается строго ориентированной по отношению к решетке исходной фазы - аустенита. Превращение идёт с большой скоростью (≈1000 м/с). Зёрна мартенсита растут до пересечения с границами зёрен аустенита, а последующие его пластины вырастают под углом 60° или 120° к первоначальным.