Превращения в стали при нагреве и охлаждении

Фазовые превращения вызваны тем, что вследствие изменившихся температурных условий одно состояние оказывается менее устойчивым, чем другое.

При этом основными являются 3 структуры, а переход одной структуры в другую характеризует основные превращения.

Отметим эти структуры:

1. Аустенит (А) – твердый раствор углерода в γ-железе Fe_γ(C),

2. Мартенсит (М)- твердый раствор углерода в α-железе Fe_α (C),

3. Перлит (П) – эвтектоидная смесь феррита и карбида Fe_α + Fe₃C.

При термической обработке стали наблюдаются четыре основных превращения.

1. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше точки A₁, выше температуры стабильного равновесия аустенит—перлит; при этих температурах из трех основных структур минимальной свободной энергией обладает аустенит

Fe_α + Fe₃C → Fe_γ(C) или П→А. (рис. 176):

Рис. 176. Изменение свободной энергии аустенита (F_A), мартенсита (F_M) и перлита (F_П) с изменением температуры

2. Превращение аустенита в перлит, протекающее ниже A₁:

Fe_γ (C) →Fe_α + Fe₃C или А→П.

3. Превращение аустенита в мартенсит:

Fe_γ (C) →Fe_α (C) или А→М,

Это превращение наблюдается ниже температуры метастабильного равновесия аустенит - мартенсит (Т₀). При Т₀ более устойчивой фазой является перлит, однако работа, необходимая для образования мартенсита из аустенита, меньше, чем для образования перлита; поэтому ниже Т₀ образование перлита (феррито - карбидной смеси) из аустенита может произойти только в результате превращения аустенита в мартенсит, а затем уже мартенсита в перлит.

Таким образом, аустенито - мартенситное превращение в данном случае является промежуточным в процессе перехода аустенита в перлит.

4. Превращение мартенсита в перлит, точнее в феррито - карбидную смесь:

Fe_α(C) →Fe_α + Fe₃C или М→П.

Оно происходит при всех температурах, так как при всех температурах свободная энергия мартенсита больше свободной энергии перлита.

Схема изменений свободных энергий основных структур (см. рис. 176) показывает, что выше Т₀ возможно превращение мартенсита в аустенит. Однако это превращение экспериментально не было обнаружено, по-видимому, из-за того, что раньше успевает произойти превращение мартенсит - перлит (распад мартенсита).

Превращение перлита в мартенсит невозможно, так как при всех температурах мартенсит обладает большей свободной энергией, чем перлит.

Образование аустенита

Превращение перлита в аустенит в полном соответствии с диаграммой состояния Fe-С может совершиться лишь при очень медленном нагреве. При обычных условиях нагрева превращение запаздывает и получается перенагрев, т.е. превращение происходит лишь при температурах, несколько более высоких, чем указано на диаграмме Fe-С.

Перенагретый выше критической точки перлит с различной скоростью в зависимости от степени перенагрева превращается в аустенит.

На рис. 177 приведены данные, показывающие время превращения перлита в аустенит при разных температурах (в зависимости от степени перенагрева). Расположение кривых показывает, что чем выше температура, тем быстрее (т.е. за меньший отрезок времени) протекает превращение и что чем быстрее осуществляется нагрев, тем при более высокой температуре происходит превращение.

Например, при быстром нагреве и выдержке при 780°С превращение перлит + аустенит завершится за 2 мин, а при 740°С — за 8 мин.

Диаграмма, приведенная на рис. 177, дана в координатах, температура—время, поэтому на нее можно нанести кривые нагрева.

Размеры перлитных зерен зависят от размеров зерен аустенита, из которых они образовались. Чем крупнее зерна аустенита, тем большего размера перлитные зерна, образующиеся из них (рис. 179). Аустенитные зерна растут только при нагреве (при последующем охлаждении они не измельчаются), поэтому максимальная температура нагрева стали в аустенитном состоянии и ее наследственная зернистость определяют окончательный размер зерна.