2.3.1.2. Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита и температуру мартенситного превращения (классификация сталей по структуре нормализации)

Остановимся на двух важных закономерностях, проявляющихся при легировании сталей.

1. Очевидно, что по сравнению с углеродистыми сталями диффузионная подвижность атомов в легированных сталях подавлена и в тем большей степени, чем выше концентрация легирующих элементов.

Поэтому все легирующие элементы (кроме Со) замедляют скорость диффузионного распада аустенита (А  Ф+П, см. раздел 2.2.1), т.е. увеличивают время его минимальной устойчивости ( _min) и соответственно смещают вправо линии С – диаграммы (см. ниже рис. 2.3.3).

2. Все легирующие элементы (кроме Co и Al), подобно углероду (рис. 2.3.2), снижают (в различной степени) температуры начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения.

Рис. 2.3.2. Влияние содержания углерода на температуры начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения

Обе эти тенденции (смещение линий С – диаграммы и температур М_н и М_к) отражены на рис. 2.3.3. На этом же рисунке проведены линии V_охл., наклон которых характеризует скорость охлаждения образцов стали из аустенитного состояния на спокойном воздухе (такая термическая обработка называется нормализацией).

Этот рисунок поясняет классификацию сталей по структуре нормализации.

Видно, что при относительно небольшом количестве легирующих элементов (рис. 2.3.3,а) охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита на ферритокарбидные смеси (перлитному превращению, см. разд. 2.2.1); такие стали относят к перлитному классу (их большинство, так как из-за небольшого легирования они наиболее дешевы).

При повышенном содержании легирующих элементов (рис. 2.3.3,б)

V_охл. V_кр., а так как М_н  20 ^оС, нормализованная сталь при комнатной температуре приобретает мартенситную структуру – это стали мартенситного класса.

При большом содержании легирующих элементов (особенно Ni, Mn) М_н сдвигается в область отрицательных температур, поэтому после нормализации сталь сохраняет аустенитную структуру (аустенитный класс).

Очевидно различие механических свойств сталей, принадлежащих к этим трем структурным классам.

2.3.2. Влияние легирующих элементов на критическую скорость закалки и прокаливаемость стали

В начале темы 2.3 отмечалось, что существенным недостатком углеродистых сталей является их пониженная прокаливаемость. Напомним, прокаливаемость – это способность стали приобретать мартенситную структуру на определенную глубину при закалке в данном охладителе.

Величину прокаливаемости обычно оценивают критическим диаметром (D_кр) – максимальным диаметром образца, приобретающим мартенситную структуру по всему сечению при закалке в данном охладителе.

Поскольку основное требование закалки на мартенсит (см. раздел 2.2.1) V_охл  V_кр , то прокаливаемость зависит от соотношения скорости охлаждения V_охл и критической скорости закалки V_кр, величина которой определяется химическим составом стали.

Очевидно, что скорость охлаждения образца (изделия) уменьшается от поверхности к сердцевине (рис. 2.3.4).

Рис. 2.3.4. Распределение скорости охлаждения (V_охл) по сечению образца при закалке (заштрихована закаленная зона с мартенситной структурой)

Если в сердцевине образца V_охл < V_кр, это приводит к несквозной закалке. При несквозной прокаливаемости в поверхностном слое образуется мартенсит, в сердцевине (где V_охл < V_кр) пластинчатые структуры перлитного типа (например, сорбит закалки).В результате возникает неоднородность механических свойств по сечению детали, которая сохраняется и после отпуска. Например, после высокого отпуска в поверхностном слое получится сорбит отпуска ("зернистый сорбит"), а структура сердцевины не изменится и будет иметь пониженные механические свойства (о чем говорилось в конце темы 2.2.2). Например, ударная вязкость улучшенной (закалка + высокий отпуск) стали 45 с диаметром образца 10 мм (сквозная закалка) составляет KCU = 1 МДж/м², а при  = 100 мм (несквозная прокаливаемость) KCU = 0,5 МДж/м².

Поэтому для ответственных изделий должны применяться стали со сквозной прокаливаемостью.

Из рис. 2.3.4 очевидно, что основной путь повышения прокаливаемости – это уменьшение V_кр. В предыдущем разделе (2.3.1.2) говорилось о том, что легирование приводит к смещению линий С- диаграммы вправо (см. рис. 2.3.3), а это означает уменьшение V_кр (напомним, что величина V_кр определяется наклоном касательной к кривой начала распада аустенита на феррито-карбидные смеси, см. стр. 84 ).

Как отмечалось выше, все легирующие элементы (кроме Со) замедляют скорость распада переохлажденного аустенита и соответственно уменьшают V_кр , причем тем сильнее, чем больше их количество в стали. Поэтому, чем больше диаметр изделия, тем более легированную сталь нужно применять для получения сквозной прокаливаемости.

Помимо повышения прокаливаемости легирование играет и еще одну важную положительную роль, так как., снижая V_кр, позволяет производить более «мягкую» закалку по сравнению с углеродистыми (нелегированными ) сталями. Если для получения мартенсита в углеродистых сталях их необходимо охлаждать очень быстро в воде (V_охл ≈ 600 ^оС/с), то в легированных тот же результат может быть достигнут при более медленном охлаждении в масле (V_охл≈150 ^оС/с) или даже (для некоторых высоколегированных, например, быстрорежущих сталей) на воздухе (V _охл. ≈ 3…30 ^оС/с).

Существенное снижение V_охл. при закалке легированных сталей уменьшает опасность возникновения закалочных трещин и коробления изделий.

Справедливости ради остановимся на примере отрицательного влияния легирования, усложняющего технологию термической обработки изделий.

Выше (раздел 2.3.1.2) отмечалось, что подобно углероду все легирующие элементы (кроме Со и Al) снижают температуру начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения.

Если в стали данного химического состава температура М_к опускается ниже комнатной, то при закалке (закалочная среда при t = 20 ^оС) часть аустенита сохраняется, не превращаясь в мартенсит, - это «остаточный аустенит».

Согласно рис. 2.3.2 он появляется в структуре закаленных углеродистых сталей, содержащих ≥ 0,5 %С и его количество возрастает с увеличением содержания углерода (пропорционально заштрихованному на рис. 2.3.2 интервалу ∆t = 20 ^оС – М_к).

Поскольку легирующие элементы дополнительно снижают М_н и М_к (особенно эффективно Mn, Cr, Ni) то в закаленных легированных сталях сохраняется много остаточного аустенита.

Остаточный аустенит ухудшает механические и эксплуатационные свойства изделий, поэтому для его устранения применяют «обработку холодом» - охлаждение изделий сразу после закалки до температур, возможно близких к М_к. Для этого используют, например, жидкий аммиак (-33 ^оС), жидкий азот

(- 196 ^оС) и другие охлаждающие среды.¹

Обработку холодом используют главным образом для деталей типа шестерен, режущих и измерительных инструментов, изготавливаемых из высоколегированных сталей.

Заметим, что в некоторых случаях остаточный аустенит играет положительную роль, уменьшая деформацию изделий при закалке (например, длинномерного режущего и измерительного инструмента).