Процессы превращений в сталях при сварке при охлаждении

При охлаждении аустенита реализуются перлитное,бейнитное и мар-тенситное превращения. Тип превращения предопределяется термодинами-ческим стимулом и и степенью развития релаксационных процессов.

Для анализа кинетики превращения аустенита целесообразно использо-вать диаграммы анизотермического превращения, поскольку фазовые пре-вращения при сварке протекают в переменных температурно-временных ус-ловиях.. К важнейшим параметрам, характеризующим кинетику процесса, относят длительность охлаждения до появления в структуре бейнита τ_б, пер-лита τ_п, феррита τ_ф, а также длительность охлаждения τ_600-500 и τ_800-500.

Различают нормальный, сдвиговый и промежуточный механизм поли-морфных превращений.

доэвтектоидных сталях, при наличии в аустените участков, обедненных углеродом, при достижении определенной температуры при охлаждении возможно выделение избыточной ферритной фазы, причем при медленном охлаждении образуется полиэдрический феррит, а при ускоренном – игольчатый феррит. Добавки бор, особенно в присутствии марганца, снижают колличество структурно свободного феррита. Из крупнозернистого аустенита может при относительно быстром охлаждении формироваться видман-штеттов феррит с крупноигольчатой структурой,для него характерна повышенная плотность дислокаций и отсутствие карбидных включений в кри-сталлах. Легирование стали кремнием и марганцем снижает скорость роста видманштеттова феррита в 10 раз. Механизм образования такого ферритасхож с механизмом образования мартенсита.

Выделение структурно свободного феррита предшествует перлитному превращению аустенита.

На протекание перлитного превращения и получение различных струк-тур (перлит,сорбит,троостит) влияют температура исходного нагрева, которая определяет состояние аустенита, скорость охлаждения (степень пе-реохлаждения), присутствие легирующих элементов. При перлитном пре-вращении ведущей фазой является цементит, зародыши которого образуют-ся в объмах аустенита, обогащенного углеродом. Образуются зародыши в основном по границам исходных зерен аустенита. Цементит растет в виде пластинки в объеме зерна аустенита. При этом соседние с ней области обед-няются углеродом, и в них создаются условия для протекания полиморфного превращения. Структуры перлитного класса представляют собой пластин-чатые феррито-цементитные смеси различной степени дисперсности, кото-рая определяется межпластинчатым расстоянием (суммарной толщиной со-седних пластинок цементита и феррита). Чем ниже температура превраще-ния, тем более дисперсной получается смесь, тем выше твердость смеси. Принято различать перлит (межпластиночное расстояние 0,5-0,7 мкм), сор-бит (межпластиночное расстояние 0.3-0,4 мкм), троостит (межпластиночное расстояние 0,1-0,2 мкм). Дисперсность перлитных колоний определяет два процесса – рост зерна аустенита и повышение степени его гомогенизации. Гомогенное и крупное зерно аустенита склонно к большему переохлажде-нию.

Легирующие элементы замедляют диффузию углерода, влияют на ско-рость перлитного превращения. Карбидообразующие элементы замедляют перлитное превращение, что объясняется образованием специальных карби-дов и необходимостью перераспределения в аустените легирующих элемен-тов при охлаждении. Поскольку скорость протекания перлитного превраще-ния определяется процессами диффузии углерода, то в данном случае воз-растает энергия активации диффузии углерода, что существенно замедляет, а в ряде случаев подавляет перлитное превращение.

Мартенсит, получающийся в стали при мартенситном превращении, является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в альфа-железе. Концентрация в нем углерода и легирующих элементов такая же, как в исходном аустените. Отличительной особенностью образования мартенси-та является сдвиговый механизм фазового превращения. Следствием упоря-доченности процесса является низкая энергия активации зарождения и роста кристаллов мартенсита. Различают атермическое, взрывное и полностью изотермическое мартенситные превращения. В конструкционных сталях реализуется в основном атермическая кинетика образования мартенсита.

Мартенсит при атермическом процессе образуется в интервале темпера-тур от Мн – температуры начала мартенситного превращения- до Мк – тем-пературы конца мартенситного превращения. Важным является вопрос о за-висимости Мн от скорости охлаждения. Полагают, что при увеличении ско-рости охлаждения до 600^оС, т.е. при условиях, характерных для процессовсварки, значение Мн для низколегированных и углеродистых сталей не ме-няется. Различается пластинчатый (образуется преимущественно в средне- и высоколегированных сталях), реечный (образуется в низкоуглеродистых низко- и среднелегированных сталях) а также бесструктурный мартенсит.

Легирующие элементы оказывают существенное влияние на протекание этого превращения, в частности, на мартенситные точки. Алюминий и кобальт повышают точку Мн, а остальные легирующие элементы, кроме кремния, снижают ее.

Предварительная (до 8%) пластическая деформация аустента активизи-рует, а большая (до 17%) затрудняет мартенситное превращение при после-дующем охлаждении, т.к. создает развитые субзеренные границы.

Для промежуточного бейнитного превращения характерны признаки как мартенситного, так и перлитного превращений. Ряд легирующих элементов смещает промежуточное превращение в область более низких температур, при этом уменьшается диффузионная подвижность углерода, повышается его содержание в ά–фазе.

Для аналитической(расчетной)оценки параметров превращения, характеризующих кинетику превращения при непрерывном охлаждении, можно воспользоваться известными формулами, если представить процесс в виде квазистационарных состояний (изотермических ступенек). Необходимые данные о температурах превращения и объемах образовавшихся фаз определяются с помощью графоаналитического метода анализа температурных кривых охлаждения и дилатограмм исследуемых образцов.

Для сталей определенного состава предложены формулы для определения характеристических длительностей охлаждения, а также формулы для определения температур начала и конца мартенситного превращения, а так-же начала и конца бейнитного превращения, температуры начала перлитного превращения. Их можно использовать только для ориентировочной оценки, т.к. не учитывается ряд факторов – размер исходного зерна аустенита к мо-менту начала превращения, влияние интенсивности охлаждения.

Существуют формулы для расчета значений температур критических точек в зависимости от содержания в стали легирующих элементов.

Можно определить объемную долю феррито-перлитной составляющей, а также мартенситной или бейнитной составляющей, получающихся при определенных условиях в ЗТВ. Ряд формул позволяют получить данные для построения структурной диаграммы для стали данного состава. Структурные диаграммы дополняются, как правило, данными о твердости, расчет которой ведется по методике, основанной на учете вклада отдельных структурных составляющих в изменение твердости.