Образование аустенита из перлита и рост аустенитного зерна

При нагреве

Образование аустенита из перлита при эвтектоидной температуре А₁ может осуществляться, согласно диаграмме Fе-С, лишь при бесконечно медленном нагреве. При обычных скоростях нагрева превращение протекает, как уже отмечалось, при более высокой температуре (Ас ₁). Расположение кривых начала и конца превращения (см. рис. 2.2) показывает, что чем быстрее осуществляется нагрев, тем при более высокой температуре и тем быстрее протекает превращение перлита в аустенит.

Зародыши аустенита в перлите появляются на границе между зёрнами (пластинами) феррита и цементита и растут одновременно в сторону феррита и в сторону цементита. К моменту исчезновения ферритных прослоек всегда остаётся не полностью растворившийся цементит. Для растворения остатков цементита и выравнивания состава аустенита (гомогенизация) требуется дополнительная выдержка при температуре превращения.

В углеродистых сталях образование и гомогенизация аустенита протекают быстро. Время выдержки в печи после нагрева составляет максимум несколько минут. Гомогенизация аустенита идёт гораздо дольше в легированных сталях, так как в них неравномерно распределены между ферритом и карбидом как углерод, так и легирующие элементы. Последние диффундируют в стали значительно (на порядки) медленнее, чем углерод, поэтому и требуется более длительная выдержка легированных сталей в печи после нагрева.

Рассмотрим склонность аустенитного зерна к росту при нагреве. От размера зерна аустенита зависит действительный размер зерна после термической обработки, от которого зависят механические свойства изделия. Особенно чувствительна к размеру аустенитного зерна ударная вязкость, которая падает с укрупнением зерна.

К концу превращения перлита в аустенит зерно получается мелким, в связи с сильно развитой ферритокарбидной поверхностью раздела, на которой образуется большое число центров аустенита. После образования зерна аустенита способны к росту, движущей силой которого является свободная энергия границ. С повышением температуры рост зерна аустенита ускоряется.

Увеличение концентрации углерода способствует росту зерна, что можно объяснить понижением солидуса. Повышение содержания углерода сверх предельной концентрации в аустените (линия ЕS диаграммы состояния Fе-С) затрудняет рост аустенитного зерна, что объясняется тормозящим действием цементитной сетки.

Почти все легирующие элементы тормозят рост аустенитного зерна при нагреве. Исключение составляет марганец, который усиливает рост. Наиболее сильно тормозят рост зерна V, Al и Zr, умеренно тормозят рост зерна W, Mo и Cr и слабо действуют Ni и Si. Основной причиной этого действия легирующих элементов считается образование труднорастворимых в аустените карбидов и оксидов, которые являются барьерами для растущего зерна.

Разные плавки одной и той же марки могут сильно различаться по склонности к росту аустенитного зерна, так как они содержат разные количества мельчайших примесей – карбидов, окислов, сульфидов и нитридов, затрудняющих рост зерна. Поэтому склонность стали к росту зерна при нагреве зависит не только от содержания легирующих элементов и углерода, но и от металлургического качества, т.е. от той ее истории, которая предшествует термообработке. В связи с этим различают наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые стали.

В наследственно крупнозернистой стали зерно интенсивно растёт при относительно небольших превышениях температуры над точкой Ас ₃. В наследственно мелкозернистой стали мелкое аустенитное зерно получается в широком диапазоне температур: от точки Ас ₃ до 950-1100°С. Переход через этот температурный порог приводит к перегреву наследственно мелкозернистой стали (интенсивному укрупнению зерна и связанному с этим падению ударной вязкости).

Для определения склонности стали к росту зерна пользуются стандартной технологической пробой, которая состоит в следующем. Доэвтектоидную сталь цементируют при 930°С в течение 8 ч с последующим медленным охлаждением. Размер зерна определяют по карбидной сетке, окаймляющей границы аустенитных зёрен. Заэвтектоидные стали нагревают до 930°С и после выдержки в течение 3 ч медленно охлаждают. Размер зерна определяют по сетке вторичного цементита, выделяющегося по границам аустенитных зёрен.

Температура нагрева 930°С выбрана по следующим соображениям. Для большинства сталей температура нагрева при основных видах термообработки не превышает 930°С. При этом наследственно мелкозернистая сталь при 930°С ещё сопротивляется интенсивному росту зерна, а в наследственно крупнозернистой стали при этой температуре вырастает крупное зерно.

Следует отметить, что особенно сильно влияет на рост аустенитного зерна при нагреве стали алюминий. Наследственно мелкозернистую сталь получают введением в ковш перед её разливкой примерно 0,05% Al. Мельчайшие частицы нитридов и окислов алюминия как барьеры тормозят рост зёрен аустенита. Интенсивный рост зерна в наследственно мелкозернистой стали выше температур 950-1100°С объясняется растворением и возможно коагуляцией (укреплением, слиянием) барьерных частиц.