Механизм основных превращений

Рис. 5.3. Зависимость свободной энергии структурных составляющих сталей от температуры: аустенита (F A), мартенсита (F м), перлита (F п)

Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении. Любая разновидность  термической обработки  состоит  из комбинации четырех основных превращений, в основе которых лежит стремление системы к минимуму свободной энергии (рис 5.3).

1. Превращение перлита в аустенит (П → А) происходит при нагреве выше критической температуры А₁, минимальной свободной энергией обладает аустенит: Fe_a(C) + Fe₃C → Fe_g(C).

2. Превращение аустенита в перлит (А → П)происходит при охлаждении ниже А₁, минимальной свободной энергией обладает перлит: Fe_g (С) → Fe_a(С)+ Fe₃C.

3. Превращение аустенита в мартенсит (A → M) происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия: Fe_g (С) → Fe_a (С)^′.

4. Превращение мартенсита в перлит (M → П), происходит при любых температурах, так как свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита: Fe_a(С)^′→Fe_a(С)+Fe₃C.

Рис. 5.4. Диаграмма изотермического образования аустенита: 1 – начало образования аустенита; 2 – окончание преобразования перлита в аустенит; 3 – полное растворение цементита

Превращение перлита в аустетит. Превращение основано на диффузии углерода, сопровождается полиморфным превращением Fe_a→ Fe_g, а так же растворением цементита в аустените.

Для исследования процессов строят диаграммы изотермического образования аустенита (рис. 5.4). Для этого образцы нагревают до температуры выше А₁ , выдерживают, фиксируя начало и окончание превращения.

С увеличением перегрева и скорости нагрева продолжительность превращения сокращается (рис. 5.5).

      а                        б                        в                            г

Рис. 5.5. Механизм превращения перлита в аустенит

 

Превращение начинается с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела феррит – цементит, кристаллическая решетка Fe_a перестраивается в решетку Fe_g. Время превращения зависит от температуры, так как с увеличением степени перегрева уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличиваются скорость возникновения зародышей и скорость их роста.

Образующиеся зерна аустенита имеют вначале такую же долю углерода, как и феррит. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита – цементит, следовательно, доля углерода увеличивается. Превращение Fe_a в Fe_gидет быстрее. После того как весь цементит растворится, аустенит неоднороден по химическому составу: там, где находились пластинки цементита, доля углерода более высокая. Для завершения процесса перераспределения углерода в аустените требуется дополнительный нагрев или выдержка. Размер образовавшегося зерна аустенита оказывает влияние на свойства стали.

Рост зерна аустенита. Образующиеся зерна аустенита получаются мелкими (начальное зерно). При повышении температуры или выдержке происходит рост зерна аустенита. Движущей силой роста является разность свободных энергий мелкозернистой (большая энергия) и крупнозернистой (малая энергия) структуры аустенита.

Стали различают по склонности к росту зерна аустенита. Если зерно аустенита начинает быстро расти даже при незначительном нагреве выше температуры А₁, то сталь наследственно крупнозернистая. Если зерно растет только при большом перегреве, то сталь наследственно мелкозернистая. Склонность к росту аустенитного зерна является плавочной характеристикой. Стали одной марки, но разных плавок могут различаться, так как содержат неодинаковое количество неметаллических включений, которые затрудняют рост аустенитного зерна.

Ванадий, титан, молибден, вольфрам, алюминий уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а марганец и фосфор увеличивают ее.

Заэвтектоидные стали менее склонны к росту зерна.

При последующем охлаждении зерна аустенита не измельчаются. Это следует учитывать при назначении режимов термической обработки, так как от размера зерна зависят механические свойства. Крупное зерно снижает сопротивление отрыву, ударную вязкость, повышает порог хладоломкости.

Различают размеры зерна наследственного и действительного. Для определения размера наследственного зерна образцы нагревают до 930 °С и затем определяют размер зерна. Действительный размер зерна – размер зерна при обычных температурах, полученный после той или иной термической обработки.

Неправильный режим нагрева может привести либо к перегреву, либо к пережогу стали.

Перегрев. Нагрев доэвтектоидной стали до значений намного выше температуры А₃ приводит к интенсивному росту зерна аустенита. При охлаждении феррит выделяется в виде пластинчатых или игольчатых кристаллов. Это видманштеттова структура, характеризующаяся пониженными механическими свойствами. Перегрев можно исправить повторным нагревом до оптимальных значений температур с последующим медленным охлаждением.

Пережог имеет место, когда температура нагрева приближается к температуре плавления. При этом наблюдается окисление границ зерен, что резко снижает прочность стали. Излом такой стали камневидный. Пережог – неисправимый брак.

Превращение аустенита в перлит при медленном охлаждении

Fe_g (С) → Fe_a(С) + Fe₃C.

Превращение связано с диффузией углерода, сопровождается полиморфным превращениемFe_g → Fe_a, выделением углерода из аустенита в виде цементита, разрастанием образовавшегося цементита. В зависимости от степени переохлаждения различают три области превращения. Вначале, с увеличением переохлаждения, скорость превращения возрастает, а затем убывает. При температуре 727 °С и ниже 200 °С скорость равна нулю. При температуре 200 °С равна нулю скорость диффузии углерода.

Закономерности превращения. Образцы нагревают до температуры, при которой структура состоит из однородного аустенита (770 °С). Затем переносят в термостаты с заданной температурой (интервал 25 – 50 °С). Превращение аустенита можно легко обнаружить с помощью наблюдений за изменением магнитных характеристик, так как аустенит парамагнитен, а феррит и цементит обладают магнитными свойствами.

Получают серию кинетических кривых (рис. 5.6, а), которые показывают количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения.

 

Рис. 5.6. Кинетические кривые превращения аустенита при охлаждении (а) и диаграмма изотермического превращения аустенита (б)

 

Вначале наблюдается инкубационный подготовительный период, время, в течение которого сохраняется переохлажденный аустенит. Превращение протекает с различной скоростью и достигает максимума при образовании 50 % продуктов распада. Затем скорость начинает уменьшаться и постепенно затухает. С увеличением степени переохлаждения устойчивость аустенита уменьшается, а затем увеличивается. Горизонтальная линия М_н показывает температуру начала бездиффузионного мартенситного превращения. Такие диаграммы называются диаграммами изотермического превращения аустенита (рис. 5.6, б).

При малых степенях переохлаждения, в области температур 727 – 550 °С, сущность превращения заключается в том, что в результате превращения аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита, состав которой отличается от состава исходного аустенита. В аустените доля углерода составляет 0,8 %, а в образующихся фазах: феррите – 0,02 %, цементите – 6,67 %:

А_0,8 →П_0,8[Ф_0,02 + Ц_6,67].

Время устойчивости аустенита и скорость его превращения зависят от степени переохлаждения. Максимальная скорость превращения соответствует переохлаждению ниже температуры A₁ на 150 – 200 °С, т.е. соответствует минимальной устойчивости аустенита (рис. 5.7).

                           а                         б                      в

Рис. 5.7. Механизм превращения аустенита в перлит

 

При образовании перлита из аустенита ведущей фазой является цементит. Зарождение центров кристаллизации цементита облегчено на границе аустенитных зерен. Образовавшаяся пластинка цементита растет, удлиняется и обедняет соседние области углеродом. Рядом с ней образуются пластинки феррита.

Эти пластинки растут как в толщину, так и в длину. Рост образовавшихся колоний перлита продолжается до столкновения с кристаллами перлита, растущими из других центров.

Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходит процесс его распада. Толщина соседних пластинок феррита и цементита определяет дисперсность структуры и обозначается D₀. Она зависит от температуры превращения. В зависимости от дисперсности продукты распада имеют различные названия.

D₀»(0,5…0,7)10⁻³мм – перлит. Образуется при переохлаждении до Т = 650…700 °С. Твердость составляет НВ 180 – 250.

D₀ =0,25×10⁻³мм – сорбит. Образуется при переохлаждении до Т = 600…650 °С. Твердость составляет НВ 250 – 350. Структура мелкодисперсного перлита, называемого сорбитом, характеризуется высоким пределом упругости, достаточной вязкостью и прочностью.

D₀ =0,1×10⁻³мм – троостит, представляющий собой высокодисперсную ферритоцементитную смесь. Образуется при переохлаждении до Т = 550…600 ^oС. Твердость составляет НВ350 – 450. Структура характеризуется высоким пределом упругости, малой вязкостью и пластичностью. При переохлаждении аустенита (до 550…240 ° С) он распадается на ферритоцементитную смесь, имеющую игольчатое строение – игольчатый троостит. Твердость ферритоцементитной смеси прямо пропорциональна площади поверхности раздела между ферритом и цементитом.

Если температура нагрева незначительно превышала температуру A₁ и полученный аустенит неоднороден по составу, то при малой степени переохлаждения образуется зернистый перлит. Таким образом, перлит, сорбит и троостит – это ферритоцементитные смеси различной дисперсности. Цементит этих структур имеет пластинчатое строение.

Промежуточное превращение. При температуре ниже 550 ^°С самодиффузия атомов железа практически не происходит, а атомы углерода обладают достаточной подвижностью. Механизм превращения состоит в том, что внутри аустенита происходит перераспределение атомов углерода и участки аустенита, обогащенные углеродом, превращаются в цементит.

Превращение обедненного углеродом аустенита в феррит происходит по сдвиговому механизму, путем возникновения и роста зародышей феррита. Образующиеся при этом кристаллы имеют игольчатую форму. Такая структура, состоящая из цементита и феррита, называется бейнитом. Особенностью является повышенная доля углерода в феррите (0,1−0,2 %).

Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависят от температуры превращения.

При температуре 550 °С D₀=0,12×10⁻³мм – верхний бейнит. Структура характеризуется недостаточной прочностью при низких относительном удлинении (δ) и ударной вязкости (а _н).

При температуре 300 ^oС D₀=0,08×10⁻³мм – нижний бейнит. Структура характеризуется высокой прочностью в сочетании с пластичностью и вязкостью.

Превращение аустенита в мартенсит при высоких скорос-тях охлаждения. Данное превращение имеет место при высоких скоростях охлаждения, когда диффузионные процессы подавля-ются. Сопровождается полиморфным превращением Fе_g в Fе_a.

Рис. 5.8. Диаграмма изотермического превращения аустенита в эвтектоидной стали

При охлаждении стали со скоростью (рис. 5.8), большей критической (V > V₃= V_к), превращение начинается при температуре начала мартенситного превращения (М_н) и заканчивается при температуре окончания мартенситного превращения (М_к). В результате такого превращения аустенита образуется продукт закалки – мартенсит (см. рис. 5.6).

Минимальная скорость охлаждения V_к, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры точки М_н и превращается, называется критической скоростью закалки.

Так как процесс диффузии не происходит, то весь углерод аустенита остается в решетке Fе_a   и располагается либо в центрах тетраэдров, либо в середине длинных ребер (рис. 5.9).

Мартенсит – пересыщенный, неравновесный твердый раствор внедрения углерода в Fe _α. При образовании мартенсита кубическая решеткаFe_α сильно искажается, превращаясь в тетрагональную (рис. 5.9, а), происходит лишь перестройка ГЦК решетки аустенита в ОЦК решетку Fe_α без выделения углерода:

Fe_γ (C)→Fe_α (C)^′.

Искажение решетки характеризуется степенью тетрагональности с/а > 1. Степень тетрагональности прямо пропорциональна доле углерода в стали (рис. 5.9, б).

           а                                                                б

Рис. 5.9. Кристаллическая решетка мартенсита (а) и влияние углерода на параметры а и с решетки мартенсита (б)

 

Механизм  мартенситного превращения имеет ряд особенностей.

1. Бездиффузионный характер.

Превращение осуществляется по сдвиговому механизму. В начале превращения имеется непрерывный переход от решетки аустенита к решетке мартенсита (когерентная связь). При превращении гранецентрированной кубической решетки в объемно-центрированную кубическую атомы смещаются на расстояния меньше межатомных, т.е. нет необходимости в самодиффузии атомов железа.

2. Ориентация кристаллов мартенсита.

Рис. 5.10. Ориентация кристаллов мартенсита

Кристаллы имеют форму пластин, сужающихся к концу, под микроскопом такая структура выглядит как игольчатая. Образуясь мгновенно, пластины растут либо до границы зерна аустенита, либо до дефекта. Следующие пластины расположены к первым под углами 60° или 120°, их размеры ограничены участками между первыми пластинами (рис. 5.10).

Ориентированный (когерентный) рост кристаллов мартенсита обеспечивает минимальную поверхностную энергию. При когерентном росте  из-за различия объемов аустенита и мартенсита возникают большие напряжения. При достижении определенного значения кристаллов мартенсита эти напряжения становятся равными пределу текучести аустенита. В результате этого нарушается когерентность и происходит отрыв решетки мартенсита от решетки аустенита. Рост кристаллов прекращается.

3. Очень высокая скорость роста кристалла, до 1000 м/с.

Рис. 5.11. Зависимость температур начала (Мн) и окончания (Мк) мартенситного превращения от доли углерода в стали

4. Мартенситное превращение происходит только при непрерывном охлаждении. Для каждой стали оно начинается и заканчивается при определенной температуре независимо от скорости охлаждения. Температуру начала мартенситного превращения называют мартенситной точкой М_н, а температуру окончания превращения – М_к. Температуры М_н и М_к зависят от доли углерода и не зависят от скорости охлаждения. Для сталей с долей углерода выше 0,6 %М_к уходит в область отрицательных температур (рис. 5.11).

Мартенситное превращение чувствительно к напряжениям, и деформация аустенита может вызвать превращение даже при температурах выше М_н. В сталях с М_к ниже 20 °С присутствует аустенит остаточный, его количество тем больше, чем ниже М_ни М_к (при содержании углерода 0,6– 1,0 % доля аустенита остаточного – 10 %, при доле углерода 1,5 % до 50 %). В микроструктуре наблюдается в виде светлых полей между иглами мартенсита.

5. Превращение необратимое. Получить аустенит из мартенсита невозможно.

Свойства мартенсита обусловлены особенностями его образования. Мартенсит характеризуется высокой твердостью и низкой пластичностью, что обусловливает хрупкость. Твердость сос-тавляет почти HRC 65. Высокая твердость вызвана влиянием внед-ренных атомов углерода в решетку α-фазы, что вызывает ее искажение и возникновение напряжений. С повышением доли углерода в стали возрастает склонность к хрупкому разрушению.

Превращение мартенсита в перлит. Имеет место при нагреве закаленных сталей. Превращение связано с диффузией углерода. Мартенсит закалки – неравновесная структура, сохраняющаяся при низких температурах. Для получения равновесной структуры изделия подвергают отпуску.

При нагреве закаленной стали происходят следующие процессы. При нагреве до 200 °С происходит перераспределение углерода в мартенсите. Образуются пластинки ε - карбидов толщиной несколько диаметров атома. На образование карбидов углерод расходуется только из участков мартенсита, окружающих кристаллы выделившихся карбидов. Доля углерода на этих участках резко падает, тогда как удаленные участки сохраняют долю углерода. В стали присутствуют карбиды и два α-твердых раствора мартенсита (с высокой и низкой долями углерода. Такой тип распада мартенсита называется прерывистым. Скорость диффузии мала, карбиды не увеличиваются, распад мартенсита сопровождается зарождением новых карбидных частиц. Таким образом, имеем структуру с неравномерным распределением углерода – это мартенсит отпуска. При этом несколько снижается тетрагональность решетки.

При нагреве до 300 °С идет рост образовавшихся карбидов. Карбиды выделяются из мартенсита и он обедняется углеродом. Диффузия углерода увеличивается и карбиды растут в результате притока углерода из областей твердого раствора с высокой его долей. Кристаллическая решетка карбидов когерентно связана с решеткой мартенсита.

В высокоуглеродистых сталях аустенит остаточный превращается в мартенсит отпуска. Наблюдается снижение тетрагональности решетки и внутренних напряжений. Структура – мартенсит отпуска.

При нагреве до 400 °Свесь избыточный углерод выделяется из Fe_a. Карбидные частицы полностью обособляются, приобретают строение цементита, и начинают расти. Форма карбидных частиц приближается к сферической.

Высокодисперсная смесь феррита и цементита называется трооститом отпуска.

При нагреве выше 400 °С изменение фазового состава не происходит, изменяется только микроструктура. Имеет место рост и сфероидизация цементита. Наблюдается растворение мелких и рост крупных карбидных частиц.

При температуре 550 – 600 °С имеем сорбит отпуска. Карбиды имеют зернистое строение. Улучшаются свойства стали.

При температуре 650 – 700 °С получают более грубую ферритоцементитную смесь – перлит отпуска (зернистый перлит).