Превращения аустенита при охлаждении

Если сталь со структурой аустенита охладить до температуры ниже Аг_1У 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

аустенита в эвтектоидной стали: а — кинетические кривые; б — диаграмма изотермического превращения аустенита; в — графическое изображение структур

температур ниже Аг_х (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 Аг_г 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 (Н_1г 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 М_н. 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 (М_н) и мар- тенситную область — ниже температуры М_н.

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

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.