ПРЕВРАЩЕНИЯ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В СТРУКТУРЕ СТАЛИ ПРИ НАГРЕВЕ И ОХЛАЖДЕНИИ.

Любая разновидность термической обработки состоит из комбинации четырех основных превращений, в основе которых лежат стремления системы к минимуму свободной энергии (рис 8.1).

Рис. 8.1. Зависимость свободной энергии структурных составляющих сталей от температуры: аустенита (F_A), мартенсита (F_M), перлита (F_П)

1. Превращение перлита в аустенит (П→А), происходит при нагреве выше критической температуры А_1, минимальной свободной энергией обладает аустенит.

Fe_α(C)+ Fe₃C →Fe_γ(C)

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

Fe_γ(C)+ Fe_α(C) →Fe₃C

3. Превращение аустенита в мартенсит (А→М), происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия

Fe_γ(C)→ Fe_α(C)^'

4. Превращение мартенсита в перлит (М→П) – происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.

Fe_α(C)^'→ Fe_α(C)+ Fe₃C

МЕХАНИЗМ ОСНОВНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ.

1. Превращение перлита в аустенит

Превращение основано на диффузии углерода, сопровождается полиморфным превращением Fe_α→Fe_γ, а так же растворением цементита в аустените.

Для исследования процессов строят диаграммы изотермического образования аустенита. Для этого образцы нагревают до температуры выше и выдерживают, фиксируя начало и конец превращения.

Рис. 8.2. Диаграмма изотермического образования аустенита:

1 - начало образования аустенита;

2 - конец преобразования перлита в аустенит;

3 - полное растворение цементита.

Рис. 8.3. Механизм превращения перлита в аустенит.

[С увеличением перегрева и скорости нагрева продолжительность превращения сокращается.]

Превращение начинаются с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела феррит – цементит, кристаллическая решетка Fe_α перестраивается в решетку Fe_γ.

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 концентрацию углерода, как и феррит. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита – цементит, следовательно, концентрация углерода увеличивается. Превращение Fe_α в Fe_γ идет быстрее. После того, как весь цементит растворится, аустенит неоднороден по химическому составу: там, где находились пластинки цементита концентрация углерода более высокая. Для завершения процесса перераспределения углерода в аустените требуется дополнительный нагрев или выдержка.

Величина образовавшегося зерна аустенита оказывает влияние на свойства стали.

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

Перегрев. Нагрев доэвтектоидной стали значительно выше температуры приводит к интенсивному росту зерна аустенита. При охлаждении феррит выделяется в виде пластинчатых или игольчатых кристаллов. [Такая структура называется видманштеттовая структура и характеризуется пониженными механическими свойствами.] Перегрев можно исправить повторным нагревом до оптимальных 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.

2. Превращение аустенита в перлит при медленном охлаждении.

Fe_γ(C)→Fe_α(C)+ Fe₃C

Процесс протекает в 2 стадии:

1. Мгновенный бездиффузионный переход Fe_γ(C)→ Fe_α(C) (полиморфный процесс)

2. Диффузионный процесс - выделение из твердого раствора частиц

Fe₃C (цементита)

Превращение связано с диффузией углерода, сопровождается полиморфным превращением Fe_γ→Fe_α, 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^oС и ниже 200^oС скорость равна нулю. При температуре 200^oС равна нулю скорость диффузии углерода.

ОСОБЕННОСТИ МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ:

1.Мартенситное превращение невозможно подавить даже при самых высоких,

достигнутых, скоростях охлаждения. Мартенситообразование происходит в определенном интервале температур между верхней мартенситной точкой М_н и нижней мартенситной точкой, обозначаемой М_к. Превращение аустенита в мартенсит при охлаждении ничинается с определенной для каждой марки стали температуры М_н.

Рис.8.4. Зависимость температур начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения от содержания углерода в системе Fe - С.

2.Превращения происходит в условиях непрерывного понижения температуры.

При температуре М_н превращение только начинается, появляются первые кристаллы мартенсита. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать углеродистую сталь в мартенситном интервале М_н-М_к. Если охлаждение приостановить и выдерживать углеродистую сталь при постоянной температуре внутри этого интервала, то образование мартенсита почти сразу же прекращается.

3.Не происходит до конца (на 100%), особенно в сталях с содержанием углерода

более 0,6 %.

Горизонталь М_к отмечает температуру, ниже которой чрезвычайно быстро, практически «мгновенно», образуется некоторое количество мартенсита. После «мгновенного» образования мартенситная пластина не растет. Количество мартенсита при охлаждении ниже точки М_н увеличивается не вследствие подрастания уже образовавшихся пластин, а в результате «мгновенного» возникновения все новых и новых пластин. Эта особенность также резко отличает мартенситное превращение от перлитного.

После мартенситного превращения даже при охлаждении стали до температуры М_к, сохраняется некоторое количество остаточного аустенита 2,4%, который может вызвать изменение геометрии закаленных деталей. Чисто углеродистых сталей в не существует, т.к. в процессе выплавки в сталь попадают хром, никель и сера, фосфор и др., в результате чего остаточный аустенит остается в минимальном количестве.