Рост аустенитного зерна

Начало перлито-аустенитного превращения сопровождается образо­ванием первых зерен аустенита. Первые зерна аустенита образуются на границе между ферритом и цементитом — структурными состав­ляющими перлита. Превращение начинается с образования множества мелких зерен. Размер этих зерен характеризует так называемую величину начального зерна аустенита.

Дальнейший нагрев (или выдержка) по окончании превращения вызывает рост аустенитных зерен. Рост зерна — самопроизвольно протекающий процесс, так как при этом уменьшается суммарная поверхность зерен (уменьшается поверхностная энергия), высокая температура обеспечивает лишь достаточную его скорость.

Различают два типа сталей: наследственно мелкозернистую и наследственно крупнозернистую; первая характеризуется малой склонностью к росту зерна, вторая — повышенной склонностью.

Переход через критическую точку А₁ сопровождается резким уменьшением зерна (рис.50). При дальнейшем нагреве зерно аусте­нита в мелкозернистой стали не растет до 950—1000 °С, после чего устраняются факторы, препятствующие росту, и зерно начинает быстро расти.

У крупнозернистой стали ничто не препятствует росту зерна, который и начинается вскоре после перехода через кри­тическую точку.

Под наследственной зернистостью следует подразумевать склон­ность аустенитного зерна к росту.

Рис. 50. Схемеизменения размера зерна в зависимости от нагрева в аустенитной области

Размер зерна, полученный в стали в результате той или иной тер­мической обработки, — это так называемое действительное зерно.

Таким образом, различают:

1) начальное зерно — размер зерна аустенита в момент оконча­ния перлито-аустенитного превращения; 2) наследственное (при­родное) зерно — склонность аустенитных зерен к росту; 3) действи­тельное зерно — размер зерна аустенита в данных конкретных условиях.

Размеры перлитных зерен зависят от размеров зерен аустенита, из которых они образовались. Чем крупнее зерна аустенита, тем, как правило, большего размера перлитные зерна, образующиеся из них (рис.50). 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.

Укрупнение зерна аустенита в стали почти не отражается на механических свойствах таких, как твердость, сопротивление разрыву, предел текучести, относительное удлинение, но сильно снижает ударную вязкость.

Распад аустенита

Превращение аустенита в перлит заключается в распаде аустенита — твердого раствора углерода в γ-железе, на почти чистое α-желеэо и цементит:

Fe_γ (С) → Fe_α + Fe₃C.

Превращение может начаться не в точке А₁, а при некотором переохлаждении, когда свободная энергия феррито-карбидной смеси (перлита) окажется меньшей, чем свободная энергия аустенита.

Чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение, тем больше разность свободных энергий, тем быстрее происходит превращение.

В случае перлитного превращения образуются фазы, резко от­личающиеся по составу от исходной: феррит, почти не содержащий углерода, и цементит, содержащий 6,67 % С. Поэтому превращение аустенит → перлит сопровождается диффузией, перераспределением углерода. Скорость диффузии резко уменьшается с понижением тем­пературы, следовательно, с этой точки зрения увеличение пере­охлаждения должно замедлять превращения.

Таким образом, при увеличении пере­охлаждения (снижения температуры превращения) вступают в борьбу два фактора, прямо противоположно влияющие на скорость пре­вращения.

Снижение температуры (увеличение переохлаждения), с одной стороны, увеличивает разность свободных энергий аустенита и пер­лита, что ускоряет превращение, а с другой, — вызывает уменьшение скорости диффузии углерода, а это замед­ляет превращение. Суммарное действие обоих факторов приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения ско­рость превращения возрастает, достигает при каком-то значении пере­охлаждения максимума и затем убывает.

Из сказанного следует, что как только созданы надлежащие ус­ловия, зарождаются центры кристаллизации и из них растут кри­сталлы. Процесс этот происходит во времени и может быть изображен в виде так называемой кинетической кривой превращения, показы­вающей количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения (рис. 51).

Начальный период характеризуется весьма малой скоростью превращения — это так называемый инкубационный период, или период инертности. Точка а на кривой показывает момент, когда обнаруживается начало превращения (обычно это соответствует образованию 1 % перлита). На кривой степень превращения — время (рис. 51, а) видно, что скорость превращения возрастет по мере того, как развивается превращение. Максимум скорости превраще­ния соответствует примерно тому времени, когда превратилось ~50 % аустенита. В даль-

нейшем скорость превращения уменьша­ется и, наконец, превращение заканчивается (точка b).

Рис. 51: а - кинетическая кривая превращения аустенита в перлит; б - кинетические кривые превращения аустенита в перлит при различных температурах (t₁>t₂>...)

Скорость превращения зависит от степени переохлаждения. При малых и значительных переохлаждениях превращение происходит медленно, так как малы значения скорости роста кристаллов и числа образующихся центров кристаллизации (рис. 51, б); в первом случае — из-за малой разности свободных энергий, во втором — из-за малой диффузионной подвижности атомов. При максимальной скорости превращения кинетические кривые идут круто вверх, и превращение заканчивается за малый отрезок времени.

На рис. 51, б показана серия кинетических кривых, подобных приведенной на рис. 51, а, но относящихся к разным температурам (разным степеням переохлаждения).

При высокой температуре t₁, (малая степень переохлаждения) превращение развивается медленно и продолжительность инкубаци­онного периода (отрезок от начала координат до точки a) и время превращения (отрезок от начала координат до точки b), т. е. при уве­личении степени переохлаждения, скорость превращения возрастает, и поэтому продолжительность инкубационного периода и продол­жительность всего превращения сокращаются. Максимум скорости

превращения соответствует температуре t₄ , дальнейшее снижение температуры приведет уже к уменьшению скорости превра­щения.

Если нанести на диаграмму отрезки кривых аустенито-перлитного превращения, соответствующие началу превращения (время «инкубационного периода») и концу превращения, т. е. точки а и b расположить по вертикали по мере снижения температуры, то получим диаграмму, приведенную на рис. 52.

Кривая начала превращения в за­висимости от степени переохлаждения покажет время, когда превращение практически не наблюдается, т. е. когда имеем переохлажденный аустенит. Мерой его неустойчивости может служить отрезок от оси ординат до кривой начала превращения при 500 - 600 °С (температура t₄), когда этот от­резок имеет минимальные размеры, т. е. аустенит начинает превращаться в перлит через наиболее короткий про­межуток времени.

Вторая кривая показывает время, необходимое при данном переохлажде­нии для полного превращения аустенита в перлит. При 500-600 °С это время также минимально. Следует указать, что по горизон­тали шкала логарифмическая. Это сделано для удобства изображения, так как слишком различны скорости образования перлита около критической точки и у из­гиба кривой. В первом случае (для углеродистой стали) пре­вращение заканчивается через несколько десятков минут (ты­сячи секунд), а во втором случае оно происходит за одну - две секунды.

Горизонтальная линия М_н показывает температуру начала без­диффузионного мартенситного превращения.

Механизм этого превращения отличается от механизма образова­ния перлита, и будет рассматриваться ниже.

На рис. 52 показано время превращения аустенита в перлит в зависимости от степени переохлаждения, т. е. превращение пере­охлажденного аустенита при постоянной температуре. Поэтому такие диаграммы обычно называют диаграммами изотермического превращения аустенита. Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита имеют вид буквы С, поэтому их часто назы­вают С- образными или просто С - кривыми.

Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходил процесс его распада (рис. 53).

При высоких температурах, т. е. при малых степенях переохла­ждения, получается достаточно грубая (легко дифференцируемая под

микроскопом) смесь феррита и цементита. Эта смесь называется пер­литом (рис. 53, а).

Рис. 52. Диаграмма изотерми­ческого превращения аустенита (построена по кривым изотермиче­ского превращения на рис. 51)

При более низких температурах и, следовательно, при больших степенях переохлаждения дисперсность структур возрастает, и твер­дость продуктов повышается. Такой более тонкого строения перлит получил название сорбита (рис. 53, б).

Рис. 53. Структура эвтектоидной стали в зависимости от темпера­туры распада аустенита: а — перлит, распадпри 700 °С, х 7500; б—сорбит, распад при 650 ^оС, х7500; в — троостит, распад при 600 ^оС, х 15000

При еще более низкой температуре (что соответствует изгибу С-кривой) дисперсность продуктов еще более возрастает, и дифференци­ровать под оптическим микроскопом отдельные составляющие феррито-цементитной смеси становится почти невозможно, но при на­блюдении под электронным микроскопом пластинчатое строение об­наруживается вполне четко (рис. 53, в). Такая структура называ­ется трооститом.

Таким образом,перлит, сорбит и троостит — структуры с одина­ковой природой (феррит + цементит), отличающиеся степенью дис­персности феррита и цементита.

Перлитные структуры могут быть двух типов: зернистые (цемен­тит в них находится в форме зернышек) или пластинчатые (в форме пластинок).

Однородный (гомогенный) аустенит всегда превращается в пла­стинчатый перлит. Следовательно, нагрев до высокой температуры, который создает условия для образования более однородной струк­туры, способствует появлению пластинчатых структур. Неоднород­ный аустенит при всех степенях переохлаждения дает зернистый перлит, следовательно, нагрев до невысокой температуры (для заэвтектоидной стали ниже Ас₃) приводит при охлаждении к обра­зованию зернистого перлита. Вероятно, оставшиеся не растворен­ными в аустените частицы, являющиеся дополнительными центрами кристаллизации, способствуют образованию зернистого цементита.

Таким образом, при исходном нагреве до 900 °С полу­чился пластинчатый перлит, причем более низкая температура пре­вращения дает более дисперсную структуру. В той же стали при тех же температурах превращения, но после невысокого нагрева (780 °С), получился зернистый перлит. Размер зерен цементита мельче при более низкой температуре превращения.

Следовательно, размер цементитных частиц зависит от темпера­туры превращения аустенита, а форма цементита — от температуры нагрева (температуры аустенизации).

Превращения выше и ниже изгиба С-кривойотличаются покинетике превращения и по форме продуктов распада.

Выше изгиба С-кривой, т. е. при малых переохлаждениях, пре­вращение начинается из немногих центров, и кристаллы перлита растут до столкновения. Ниже изгиба С-кривой возникает игольчатая микроструктура, образуются иглы-пластины, рост которых огра­ничен,

и превращение происходит главным образом путем появления новых кристаллов.

Образующаяся ниже изгиба С-кривой игольчатая структура получила название бейнит. Превращение аустенита в бейнит имеет общие черты с перлитным и мартенситным превращениями, поэтому с бейнитным превращением следует познакомиться после изучения превращения аустенита в мартенсит.

В зависимости от содержания углерода и степени переохлаждения существуют следующие области превращения аустенита:

I — превращение аустенит → перлит;

II — предварительное выделение феррита и затем превращение аустенит → перлит;

III — предварительное выделение цементита и затем превращение аустенит → перлит;

IV — превращение аустенит → бейнит;

V — превращение аустенит →мартенсит и распад остаточного аустенита с образованием бейнита;

Рис.54. Наложение на диаграмму изотермического распада аустенита кривых охлажде­ния. Схемы структур и их твердость

VI — превращение аустенит → мартенсит;

VII — переохлажденный аустенит сохраняется без превращения.

Рис. 55. Мартенсит, Х500

После рассмотрения процесса превращения аустенита при по­стоянной температуре и разных степенях переохлаждения можно перейти к рассмотрению процесса распада аустенита при непре­рывном охлаждении, когда сталь, нагретая до аустенитного состоя­ния, охлаждается с разной скоростью.

Диаграмма изотермического распада аустенита строится в коор­динатах температура—время; в этих же координатах изображаются и кривые охлаждения.

Наложим на диаграмму изотермического распада аустенита кри­вые охлаждения (рис. 54).

Линия v₁, характеризующая медленное охлаждение, пересечет линии диаграммы в точках a₁ и b₁ . При этих температурах, соответствующих положениям точек a₁ и b₁, и произойдет превращение. Продуктом превращения будет перлит с низкой твердостью (крупнопластинчатый).

При более быстром охлаждении кривые v₂ и v₃ пересекают линии диаграммы при более низких температурах (точки a₂ и b₂, a₃ и b₃), образуя более дисперсные продукты.

Из этого построения видно, что чем больше скорость охлаждения, тем при более низкой температуре произойдет превращение, и поэ­тому тем более дисперсными и твердыми будут продукты превра­щения.

Если же охлаждать аустенит с большой скоростью (v₅), то пре­вращение в верхнем районе температур не успеет произойти, аусте­нит переохладится до низких температур и произойдет его превра­щение в мартенсит, т. е. такое охлаждение приведет к закалке.

Следовательно, чтобы закалить сталь, ее следует охлаждать с такой скоростью, чтобы не успели пройти процессы распада аустенита в верхнем районе температур.

Из рис.54 видно, что все скорости, большие, чем v_к (v_к — кри­вая охлаждения, касательная к выступу С-кривой), приводит к об­разованию мартенсита, а меньшие — к распаду аустенита в верх­нем районе температур.

Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохла­ждения аустенита до мартенситного превращения, называется крити­ческой скоростью закалки. Чтобы закалить сталь, ее следует охла­ждать со скоростью не меньшей, чем критическая. Чем правее лежит кривая начала превращения, тем меньше величина v_к. Другими сло­вами, чем медленнее происходит превращение аустенита в перлит, тем легче переохладить аустенит до температур мартенситного пре­вращения и тем меньше критическая скорость закалки.

Если охлаждать со скоростью, немного меньшей критической, то аустенит в верхнем районе температур превратится лишь части­чно, и структура будет состоять из продуктов превращения в верх­нем районе температур (троостит (рис.57, а)) и мартенсита (рис 55).

10.8. Мартенситное превращение

Если скорость охлаждения стали от высоких температур (выше Ас₃) становится достаточно большой (v > v_к, рис. 54) для по­давления распада аустенита на феррито-цементитную смесь, то аустенит испытывает мартенситное превращение [Fe_γ (С) → Fe_α (С) или А→М] с образованием новой фазы в стали—мартенсита.

Мартенсит в углеродистой стали есть пересыщенный твердый рас­твор внедрения углерода в решетку Fe_α.

Мартенситное превращение было открыто при изучении закалки и первоначально под ним подразумевался только процесс, приводя­щий к образованию мартенсита в сталях. Однако впоследствии было установлено, что мартенситное превращение следует трактовать шире, так как его характерные особенности наблюдаются не только в ста­лях, но и в других железных сплавах, цветных сплавах и даже в полупроводниках. Поэтому в настоящее время под мартенситным превращением понимается особый вид фазового превращения в твер­дом теле, протекающего по бездиффузионному, сдвиговому механизму, называемому мартенситным, а под мартенситом — продукт такого превращения.

Можно выделить следующие характерные особенности мартенситного превращения в стали:

1. Мартенситное превращение—бездиффузионное. Концентра­ция углерода в мартенсите такая же, как и в исходном аустените, мартенсит — перенасыщенный твердый раствор углерода в Fe_α.

2. Механизм А → М превращения носит сдвиговый характер.

3. Сдвиговой механизм превращения при­водит к образованию на поверхности полированного шлифа стали характерного рельефа.

4. Кристаллическая решетка мартенсита в сталяхне кубическая как у Fe_α, а тетрагональная, при этом тетрагональность решетки (отношение параметров с/а) линейно увеличивается с ростом содержания в стали углерода, а в ряде высоколегированных сталей зависит и от содержания легирующих эле­ментов.

5. Наиболее типичной формой мартенситного кристалла является пластина или линза с малым отно­шением толщины к другим линей­ным размерам, имеющая сложное внутреннее строение. Форма мартенситных кристаллов соответст­вует минимуму упругой энергии, возникающей при мартенситном превращении (рис.55).

6. Время образования одного кристалла мартенсита менее 10^-7 с, а скорость его роста более 10⁵ см/с, т. е. близка к скорости звука в твердом теле и не зависит от температуры превращения.

7. А → М превращение протекает в определенном температурном интервале: начинается при температуре М_н и заканчивается при более низкой температуре М_к (эти температуры называются мартенситными точками). При данной температуре с громадной скоростью образу­ется только определенное количество мартенсита и для возобновления превращения сталь надо охлаждать в интервале М_н - М_к.

8. Температура М_н в широком диапазоне скоростей охлаждения не зависит от ее величины, а А → М превращение невозможно пода­вить даже при самых больших скоростях охлаждения.

9. Мартенситные точки зависят от состава стали; сильно М_н и М_к снижает углерод.

10. А → М превращение не идет до конца: в стали всегда су­ществует так называемый остаточный аустенит, количество которого увеличивается при понижении точки М_н , на­пример за счет легирования углеродом.

11. Приложение внешних упругих напряжений или деформаций увеличивает количество образуемого мартенсита и повышает тем-­

пературу начала его образования. Температура, ниже которой возможно образование мартенсита при деформации, обозначается М_Д.

10.9. Бейнитное превращение

Бейнитное превращение (названное так по имени ученого Э. Бейна) переохлажденного аустенита происходит в интервале температур ниже перлитного и выше мартенситного интервала превращений, поэтому его иногда называют промежуточным.

Определяющей особенностью бейнитного превращения является то обстоятельство, что оно протекает в интервале температур, когда практически отсутствует самодиффузия железа и диффузия легиру­ющих элементов, но интенсивно может протекать диффузия углерода. Вначале аустенит обедня­ется из-за выделения карбидов углерода и при достижении необ­ходимого обеднения происходит мартенситная реакция. Чем выше температура изотермической выдержки, тем больше должно про­изойти обеднение аустенита, тем менее углеродистый аустенит пре­терпевает мартенситное превращение, теряя типичные для него черты. Поэтому внешний вид структуры бейнита существенно зависит от температуры его образования.

Обычно бейнит делят на верхний (рис. 56, а) и нижний (рис. 56, б), образующийся соответственно в верхнем и нижнем интервале температур бейнитного превращения. Нижний бейнит по своей природе и свойствам мало отличается от изотермического (реечного) мартенсита.

Рис. 56.Микроструктура бейнита: а) верхнего; б) нижнего

10.10. Превращения при отпуске

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали, структура которой состоит из тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита, до температур ниже Ас₁, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Так как мартен­сит представляет собой перенасы­щенный твердый раствор углерода в Fe_α,, то структура закаленной стали является нестабильной, и при отпуске протекают процессы, приводящие к равновесному состоянию стали, что, очевидно, будет достигаться выделением углерода из мартенсита и остаточного аустенита.

Игольчатый характер строения мартенсита сохраняется до высо­ких температур и только при продолжительном отпуске при 650°С вместо игольчатой мартенситной структуры наблюдаются равновес­ные мелкие ферритные зерна. Дальнейшее повышение температуры приводит к процессам возврата (преимущественно уменьшению плот­ности дислокаций) в феррите и рекристаллизации ферритных зерен.

Сталь, отпущенная при 350—500 °С, имеет структуру троостита (рис. 57, а), а при 500—600 °С — структуру сорбита (рис. 57, б). Эти структуры представляющие собой смесь цементита и феррита, различаются по твердости и степени дисперсности цементитных ча­стиц.

Рис.57. Микроструктура: а) троостита; б) сорбита

10.11. Влияние термической обработки на свойства стали

В результате термической обработки существенно изменяются свойства стали. Наибольшее значение имеют механические свойства.

В отожженном, нормализованном или отпущенном (t_опт > 400 °С) состоянии сталь состоит из пластичного феррита и включе­ний карбидов (цементита). Феррит обладает низкой прочностью и высокой пла-

стичностью, цементит же при нулевом значении удлинения и сужения имеет высокую твердость (около 800 НВ). Более высокое значение прочности и меньшая пластичность сплавов с содержанием углерода выше 0,01 % объясняется упрочня­ющим действием карбидных включений. Поскольку пластической деформации (при том или ином виде нагружения) может подвер­гаться только феррит, упрочняющее действие твердых карбидных включений можно представить следующим образом.

При малом количестве цементитных включений пластическая деформация развивается относительно беспрепятствен­но, и свойства материала характеризуются невысокой твердостью.

Если таких частиц будет больше, например, если при термической обработке измельчаются частицы цементита, то вокруг этих частиц возникает искажение кристаллической решетки, что препятствует движению дислокаций, и сталь упрочняется. Наобо­рот, в результате укрупнения этих частиц освободятся некоторые объемы феррита для движения дислокаций, и способность стали к пластической деформации увеличится.

Таким образом, объясняется изменение твердости в отожженной (нормализованной) или отпущенной стали, имеющей структуру феррито-цементитной смеси разной дисперсности. Но объяснить так высокую твердость мартенсита нельзя. Высокая твердость мартен­сита объясняется тем, что элементарные кристаллические ячейки его искажены, вследствие чего пластическая деформация затруднена и образование сдвигов в мартенсите почти невозможно. Чем больше углерода в стали, тем больше искаженность тетрагональной решетки мартенсита и больше его твердость. Твердость мартенсита зависит в первую очередь от содержания в мартенсите (в стали) углерода.

Кроме твердости, большое значение имеет пластичность (вяз­кость) стали. Чем выше твердость, тем, как правило, ниже пластич­ность и вязкость. Однако и при одинаковой твердости показатели пластических и вязких свойств могут сильно колебаться в зависи­мости от структуры и размеров пластин мартенсита. Обычно с укруп­нением структуры пластические и вязкие свойстваснижаются.

Для получения высокого комплекса механических свойств следует стремиться к тому, чтобы после закалки получалась мелкоигольчатая мартенситная структура, что достигается лишь при исходной мелкозернистой аустенитной структуре.

Отпуск — заключительная операция термической обработки, придающая стальному изделию окончательные свойства.

Общая тенденция состоит в том, что твердость с повышением температуры отпуска падает, так же как и другие показатели проч­ности (σ_в, σ_0,2), тогда как показатели пластичности (δ, ψ) возра­стают. Однако изменение этих свойств с повышением температуры отпуска не монотонно.

Отпуск при 300 °С приводит к повышению предела прочности и предела упругости. Эти характеристики вследствие напряженного состояния стали в закаленном состоянии или при отпуске при низ­кой температуре получаются пониженными.

Показатели пластичности (δ, ψ) увеличиваются с повышением температуры отпуска. Наибольшая пластичность (ψ) соответствует отпуску при 600—650 °С, когда весь комплекс механических свойств выше, чем у отожженной стали. Отпуск выше 650 ^оС уже не повы­шает пластичность (ψ).

Более высокие механические свойства закаленной и высокоотпущенной стали по сравнению с отожженной или нормализованной (при равной прочности у закаленной и высокоотпущенной σ_в, σ_0,2, а_н выше) объясняются различным строением сорбита (перлита) от­пуска и сорбита закалки, имеющих, как указывалось выше, в пер­вом случае зернистое, а во втором — пластинчатое строение. Двойная термическая обработка, состоящая в закалке с по­следующим высоким отпус­ком, существенно улучша­ющая общий комплекс меха­нических свойств, является основным видом термической обработки конструкционных сталей и называется улучше­нием (термическим улучше­нием).

Резюме

Цель любого процесса термической обработки состоит в нагреве до определенной температуры и последующим охлажде­нием для желаемого изменения строения и свойств металла.

Основные факторы воздействия при термической обработке — температура и время, поэтому режим любой термической обработки можно представить графиком в координатах t (температура) и τ (время).