Нагрев стали. Превращение перлита в аустенит

Превращение перлита в аустенит в соответствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов происходит при температуре, соответствующей критической точке Aс₁ (727 °C, линия PSK). Это превращение можно записать, согласно диаграмме железо-цементит: П (Ф + Ц) → А, где Ф (феррит) содержит 0,02 % углерода, Ц (цементит) – 6,67 % углерода и А (аустенит) – 0,8 % углерода. Указанное превращение состоит из двух одновременно протекающих процессов: полиморфного (аллотропического) превращения феррита в аустенит – α-Fe (ОЦК) → γ-Fе (ГЦК) – и растворения перлитного цементита в образовавшемся аустените.

Названный процесс возможен только при перегреве стали выше Ас₁ на (30 - 50) °С, что обеспечивает образование устойчивых центров кристаллизации аустенита. Таким образом, механизм процесса превращения перлита в аустенит состоит в зарождении центров кристаллизации зерен аустенита на межфазной поверхности раздела феррита и цементита и в росте его зерен из этих центров с растворением в них цементита, что наглядно прослеживается на примере эвтектоидной стали (рис. 1.1).

Так как рост зерен аустенита идет из большого числа центров кристаллизации внутри перлитной колонии (бывшего крупного, исходного зерна аустенита), при завершении этого процесса в исходном объеме образуется множество более мелких зерен, т. е. превращение перлита в аустенит сопровождается
измельчением зерна стали.

		Размер начальных зерен аустенита

Размер исходного зерна аустенита (перлита)

а б в

Рис. 1.1. Схема перекристаллизации перлита в аустенит: а – зарождение центров кристаллизации зерен аустенита; б – рост зерен аустенита из центров кристаллизации; в – окончание превращения перлита в аустенит

Эта особенность фазовой перекристаллизации широко используется в практике термической обработки для получения мелкозернистой стали (отжиг, нормализация, закалка). Зерно аустенита в момент окончания превращения перлита в аустенит называется начальным зерном.

1.1.1. Рост зерна аустенита при нагреве стали

Дальнейший нагрев (выше Ac₁) после окончания превращения ведет к рос-ту аустенитных зерен. Рост зерна аустенита происходит самопроизвольно и вызывается стремлением системы к снижению термодинамического потенциала (свободной энергии) за счет сокращения суммарной площади поверхности зерен (поверхностной энергии). Происходит «слияние» мелких (начальных) зерен аустенита в крупные зерна. Чем выше температура нагрева и чем длительнее выдержка, тем крупнее будут зерна.

После нагрева и выдержки стали размер выросших зерен при последующем охлаждении сохраняется. Зерно стали, полученное в результате той или иной термической обработки, называется действительным зерном, оно характеризуется номером, или баллом, и определяется сравнением под микроскопом (при 25 – 800-кратном увеличении) со шкалой ГОСТ 5639-82. Сталь с баллом зерна, соответствующим № –3 - +5, является крупнозернистой, с зерном № 6 - 14 - мелкозернистой.

Процесс роста зерен аустенита при нагреве называется перегревом стали, а крупнозернистая сталь (с крупным действительным зерном), образовавшаяся в результате перегрева, называется перегретой сталью.

На свойства стали влияет только размер действительного зерна. Мелкозернистая сталь имеет более высокую динамическую и усталостную прочность, более низкий порог хладноломкости. Зависимость предела текучести σ_т от размера зерна d имеет вид:

σ_т = σ₀ + k/d ^–2 , (1)

где σ₀ и k – параметры материала;

d – размер зерна.

Укрупнение зерна (иногда в два – три раза) снижает ударную вязкость, работу развития трещины, повышает порог хладноломкости и почти не отражается на твердости и статической прочности. Крупнозернистая сталь более склонна к короблению и растрескиванию при закалке.

Образование крупного действительного зерна и снижение ударной вязкости в результате высокотемпературного нагрева называется перегревом стали.

Перегрев - дефект обработки стали, он может быть исправлен повторной перекристаллизацией, т. е. полным отжигом или нормализацией.

Перегрев до значений температуры, близких к линии солидус, вызывающий окисление границ зерен, называется пережогом стали.

пережог - неисправимый дефект структуры. Сталь утрачивает прочность. Излом такой стали камневидный.

1.1.3. Видманштеттова структура

Видманштеттова структура имеет два характерных признака: крупнозернистость и определенную направленность иглообразных пластин феррита в доэвтектоидной стали или цементитных игл в заэвтектоидной (рис. 1.2).

Эта структура образуется вследствие ускоренного охлаждения крупнозернистой стали из аустенитного состояния. При перекристаллизации в доэвтектоидной стали феррит, а в заэвтектоидной цементит вторичный образуются не только на границах, но и внутри зерен аустенита (в местах дефектов кристаллического строения).

а б

Рис. 1.2. Схема (а) и фотография (б) микроструктуры Видманштетта

Видманштеттова структура – признак перегрева стали. Названная структура встречается в стальных отливках (корпус автосцепки, надрессорная балка и др.) и в сварных швах. Такая структура считается дефектной и в ответственных деталях недопустима, она должна быть устранена полным отжигом или нормализацией у доэвтектоидной и нормализацией с последующим неполным отжигом у заэвтектоидной стали. Сталь с видманштеттовой структурой имеет низкую ударную вязкость и высокую склонность к хрупкому разрушению.

ФАЗОВЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ