Превращения в стали при нагреве

Термическая обработка стали состоит в нагреве до определенной температуры, выдержке и охлаждении с определенной скоростью.

При кажущейся простоте этих операций в процессе их выполнения в стали протекают сложные процессы, которые и определяют свойства после термической обработки.

На рис. 3. Показан фрагмент диаграммы Fe-C, где находятся углеродистые стали. Линии на диаграмме имеют специальные обозначения. Линия А₁ (723⁰) показывает начало образования аустенита при нагреве, линия А₃ - конец образования аустенита, линия А_ст - конец растворения цементита в аустените.

После медленного охлаждения, а диаграмма и построена при медленном охлаждении, структуры стали в зависимости от содержания углерода будут различными.

Рассмотрим процессы происходящие при нагреве эвтектоидной стали. При нагреве стали выше А₁ перлит превращается в аустенит. Этот процесс протекает в 2 этапе.

1. Кристаллическая решетка феррита (ОЦК) перестраивается в решетку аустенита (ГЦК)

2. Цементит растворяется в аустените

Первый этап протекает достаточно быстро. Второй требует определенного времени (на диффузию атомов углерода из Fe₃C в аустенит). Время это тем меньше, чем больше разница между А₁ и фактической температурой нагрева.

Например при 740⁰П® А за 8 мин., при 780⁰ за 2 минуты.

Продолжительность этого этапа зависит и от размера частиц цементита - чем они меньше, тем быстрее они растворяются в аустените.

Процесс превращения перлита в аустенит протекает путем зарождения в перлите многочисленных зерен аустенита и последующего их роста. Процесс заканчивается, когда зерна аустенита полностью заполняют объем исходного перлитного зерна (см.рис.4). Размер образовавшихся аустенитных зерен (начальное зерно аустенита) будет намного меньше исходного перлитного зерна.

При дальнейшем повышении температуры зерна аустенита растут путем перемещения границ, а число зерен естественно уменьшается.

Склонность к росту зерна аустенита при нагреве у разных сталей различна. Если сталь содержит в своем составе только Si и Mn, то зерно начинает расти уже при сравнительно невысоких температурах 800 – 900⁰.

Если же сталь содержит сильные карбидо и нитридообразующие элементы (Al, Y, Ti), то зерно существенно не растет до более высоких температур, а затем при 950 – 1000⁰ резко увеличивает свои размеры. Такие стали называют наследственно мелкозернистыми. Поведение наследственно мелкозернистых сталей при нагреве объясняется тем, что присутствующие в них частички AlN, VN, VC, TiN, TiC препятствуют перемещению границ зерен. Однако, когда, при достижении определенных температур, происходит растворение этих фаз, зерно растет быстро - скачком.

Размер зерен аустенита существенно влияет на размер зерен, которые получаются при охлаждении. Поэтому всегда стремятся, чтобы зерно аустенита при нагреве не успело вырасти.

Сильный рост зерна аустенита при нагреве называется перегревом стали (см.рис.4.2). Перегрев можно исправить последующей правильной термообработкой.

Если сталь нагревать еще выше, то по границам зерен происходит окисление металла и сталь теряет механическую прочность. Это явление называют пережогом. Пережог - брак неисправимый.

Длительные выдержки при высоких температурах снижают содержание

углерода на поверхности стали вплоть до образования чистого феррита. Это явление называют обезуглераживанием. Оно крайне не желательно, так как снижает твердость, износоустойчивость, усталостную прочность. Для предотвращения обезуглераживания используют нагрев в защитных атмосферах (СО, N, инертные газы).

Почему растет зерно аустенита при нагреве?

Каждое зерно обладает определенной поверхностной энергией. Чем больше зерно, тем меньше поверхностная энергия, приходящаяся на единицу объема зерна. Следовательно, рост зерна сопровождается уменьшением энергии, а

всякое тело стремится к уменьшению энергии.

Почему зерно в сталях не растет при низких температурах?

Рост зерна процесс диффузионный, а скорость диффузии резко возрастает при повышении температуры. Поэтому и рост зерна происходит только при высоких температурах, когда диффузионные процессы протекают быстро.