Превращения при нагреве стали

Температуры превращений, или критические точки, при нагреве стали принято обозначать (рис. 76):

· начало превращения феррита в аустенит (Fe_a ® Fe_g) – Ac₁ (эти точки расположены на линии PSK);

· завершение превращения феррита в аустенит (Fe_a ® Fe_g) – Ac₃ (эти точки лежат на линии GS);

· окончание растворения цементита в аустените – Ac_cm (точки находятся на линии SE).

Точки A₂ относятся к магнитному, а не фазовому превращению, которое мы здесь не рассматриваем.

Следует обратить внимание на то, что точки Ac₃ и Ac_cm – свои для каждой стали, а точка Ac₁ – одна для всех углеродистых сталей: 727 °С.

Обозначение критических точек буквой «A» происходит от французского слова «arreter» – «остановка» (площадка на кривой охлаждения). Индекс «c» означает первую букву французского слова «chauffer» – нагревать; при охлаждении стали те же самые точки обозначаются индексом «r» («refroidir» – охлаждать): Ar₃, Ar₁.

Рассмотрим превращения, происходящие при нагреве эвтектоидной стали (рис. 76, состав 1-1).

Нагрев от комнатной температуры до линии PSK не приводит к каким-либо изменениям структуры, она остается перлитной. При достижении температуры Ac₁ = 727 °С начинается превращение перлита в аустенит. В ферритных участках, на границах между ферритом и цементитом, возникают зародыши новой фазы – аустенита (рис. 77, а). Кристаллическая решетка железа перестраивается из кубической объемно-центрированной в кубическую гранецентрированную: Fe_a ® Fe_g. Стимул превращения – разница в свободной энергии новой и старой фазы: при повышенных температурах g-железо обладает меньшим запасом свободной энергии и является равновесной фазой. Превращение идет по диффузионному механизму за счет присоединения все новых атомов железа к растущему кристаллу аустенита. Цементит постепенно растворяется в образовавшихся аустенитных зернах.

Для эвтектоидной стали Ac₃ = Ac₁ = 727 °С, т. е. превращение начинается и заканчивается при одной и той же температуре. (Поступающая при нагреве энергия расходуется на образование новой поверхности раздела.)

Дальнейший нагрев от Ac₃ до солидуса не приводит к фазовым превращениям, но с ростом температуры растет зерно аустенита (рис. 77, б, в). Это объясняется тем, что в крупнозернистой структуре поверхность границ зерен меньше, поэтому меньше и поверхностная энергия, т. е. крупнозернистая структура является термодинамически более стабильной. Одновременно за счет диффузии выравнивается содержание углерода в твердом растворе (сразу после превращения бывшие ферритные и цементитные участки сильно отличаются по концентрации углерода).

При нагреве доэвтектоидной стали (рис. 76, состав 2-2) в перлитных участках происходят те же самые превращения при температуре Ac₁ = 727 °С. Затем, при увеличении температуры до Ac₃, избыточный феррит постепенно превращается в аустенит путем зарождения и роста зерен новой фазы. Дальнейший нагрев сопровождается выравниванием концентрации углерода за счет диффузии и ростом зерна аустенита.

При нагреве заэвтектоидной стали (рис. 76, состав 3-3) отличие одно: в интервале от Ac₁ до Ac_cm происходит растворение избыточного цементита в аустените.