7.2 Превращения аустенита при охлаждении

При охлаждении стали ниже температуры А₁ аустенит становится термодинамически неустойчивым и распадается на феррит и цементит. Распад может происходить при непрерывном охлаждения (с печью, на воздухе и т.д.) или в изотермических условиях, то есть при постоянной температуре переохлаждения. Соответственно условиям распада экспериментальным путем строят термокинетические диаграммы и диаграммы изотермического распада аустенита. Для изучения кинетики распада необходимо постоянно наблюдать за происходящими изменениями. Для этого наилучшим вариантом оказалось наблюдение за изменениями структурно чувствительных свойств в процессе распада аустенита. Сильнее всего в процессе распада аустенита изменяются физические свойства, такие как удельный объем, эпектросопротивление, магнитные свойства. Поэтому кинетику распада аустенита чаще всего изучают дилатометрически (по изменению линейных размеров образцов) и магнитометрически (по изменению магнитных свойств - аустенит парамагнитен, а феррит – ферромагнитен).

7.2.I Распад аустенита в изотермических условиях

Чтобы произошел изотермический распад аустенита, необходимо нагреть сталь для получения однородной аустенитной структуры, а затем быстро перенести образец (или изделие) в соляную ванну, имеющую заданную температуру распада, и выдержать в ней определенное время. Во время этой изотермической выдержки и будет происходить распад аустенита, за которым наблюдают по изменению магнитных свойств или размеров образца. Отмечают при заданной температуре время начала распада аустенита и его окончания. Эти точки наносят на диаграмму распада аустенита и получают линии начала и окончания распада аустенита После его окончания охлаждение производится на воздухе.

Изучение процессов, происходящих в аустените при разных тем­пературах переохлаждения относительно А₁, привело к созданию диаграмм изотермического распада аустенита (С - образных кривых).

На рис. 7.4 представлена диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали. Выше линии А₁ находится температурная область устойчивого аустенита. Линия 1 показывает время начала распада аустенита; левее от нее располагается область переохлажденного аустенита. Линия 2 соответствует окончанию распада аустенита; правее нее - область существования продуктов распада аустенита. Горизонтальные линии Мн и Mк – соответствуют началу и концу мартенситного превращения.

Превращение

А₁

А диффузионное

600 (перлитное)

промежуточ-

400 ное(бейнитное)

Мн

200 бездиффузион

А  М ное(сдвиговое,

мартенситное)

0 Мк

-120

1 10 10² 10³ 10⁴ 10⁵ с

Рисунок 7.4 - Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали

Если образец, нагретый до температуры tн (рис.7.3), перенести в ванну с температурой t n , то переохлажденный аустенит сохраняется до момента а (инкубационный период), после чего начинается его распад. Заканчивается распад в момент д; при дальнейшей выдержке и охлаждении полученная структура сохраняется без изменения.

Строение и свойства получаемых структур сильно зависят от температуры распада аустенита. При этом меняются и характер получаемых структур и механизм распада аустенита. По этим признакам диаграмма изотермического распада делится на 3 температурных области: I - перлитную (А₁ -  550°С), ІІ- промежуточную или бейнитную ( 550 – М_н) и ІІІ - мартенситную (М_н – М_к).

Превращение в перлитной области может быть только диффузионным: поскольку из аустенита с содержанием углерода 0,8% образуется феррит (равновесное содержание углерода менее 0,025%) и цементит (содержание углерода 6,67%), т.е. происходит существенное перераспре­деление атомов железа и углерода. Образующаяся при этом структура обычно состоит из пластин ферита и цементита. Причем нетрудно расчитать, что пластины цементита должны быть в 5 – 6 раз тоньше. Чем пластины феррита.

С понижением температуры (повышением степени переохлаждения) строение перлита становится более дисперсным, т.е. пластинки феррита и цементита становятся все более тонкими. Это происходит из-за действия двух конкурирующих факторов: с повышением степени переохлаждения выигрыш энергии т.е. стимул к превращению становится все больше, а диффузионная подвижность атомов – все меньше. Поэтому в начале перераспределение атомов происходит все в меньшем объеме, а затем меняется и механизм превращения (перлит – сорбит- троостит – бейнит - мартенсит), прочность и твердость стали по мере снижения температуры распада возрастают. Сорбит в оптическом микроскопе выглядит как темные зерна различного оттенка, пластинчатое строение его заметно лишь в отдельных зернах. Строение троостита в оптическом микроскопе не дифференцируется, он имеет вид сплошного черного поля. При наблюдении в электронном микроскопе четко обнаруживается пластинчатое строение троостита.

Твердость стали со структурами, получающимися при разных температурах распада, приведена в табл. 7.1.

Таблица 7.1 - Твердость эвтектоидной стали в зависимости от структуры

Структура	Твердость, НВ
Аустенит	180-200
Крупнопластнчатый перлит	180-200
Мелкопластинчатый перлит	220-240
Сорбит закалки	280-320
Троостит закалки	400-450
Верхний бейнит	450-500
Нижний бейнит	500-550
Мартенсит	600-650

В мартенситной области при температуре ниже М_н диффузия атомов углерода и самодиффузия атомов железа практически не происходят, поэтому мартенситное превращение носит бездиффузионный характер. Оно состоит в перестройке кристаллической решетки ГЦК в ОЦК путем группового сдвига атомов по определенным кристаллографическим плоскостям аустенита, вследствие чего кристаллы образующейся -фазы имеют форму пластин, а на шлифе - игл.

Углерод остается в решетке -Fe на тех же местах, где он располагался в -Fe. При этом количество углерода значительно превышает его предельную растворимость в -Fe, равную 0,02%. Поэтому получаемая структура, называемая мартенситом, представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в -Fe. Кристаллографическая решетка мартенсита из-за избытка углерода упруго искажается и становится тетрагональной. Из-за высоких внутренних напряжений мартенсит отличается большой твердостью и высокой хрупкостью. Чем сильнее степень пересыщения твердого раствора углеродом, тем больше становятся искажения, которые количественно оцениваются степенью тетрагональности с/а, и выше твердость.

Характерным отличием мартенситного превращения от перлитного является также то, что оно не происходит в изотермических условиях. Мартенситное превращение происходит только в условиях непрерывного охлаждения, начинаясь при температуре М_н и заканчиваясь при температуре М_к. Если прервать охлаждение стали в интервале мартенситного превращения, то превращение приостанавливается и возобновляется только после дальнейшего охлаждения. После окончания мартенситного превращения всегда остается незначительное количество нераспавшегося аустенита. Положение точек М_н и М_к зависит от содержания в сталях углерода (рис. 7.5) и легирующих элементов.

Рисунок 7.5 – Температура точек Мн и Мк в зависимости от содержания углерода

Бейнитная область является промежуточной как по температурному интервалу, так и по механизму превращения. Превращение имеет характерные черты как перлитного, так и мартенситного превращений. Диффузионная подвижность атомов железа практически нулевая, поэтому перестройка кристаллической решетки происходит сдвиговым путем, как в случае мартенситного превращения, и в результате получаются пластинчатые кристаллы несколько пересыщенной углеродом -фазы. Скорость диффузии углерода при этом еще значительна; вследствие чего атомы углерода перераспределяются диффузионным путем с образованием карбидной фазы. Продукты распада аустенита представляют собой слегка пересыщенный феррит и карбидные частицы, почти как в перлитной области.

Начинается превращение с перераспределения углерода в аустените. В областях обедненных углеродом повышается точка М_н и происходит сдвиговое превращение, а в областях, обогащенных углеродом выделяется карбидная фаза и также происходит мартенситное превращение в оставшемся твердом растворе. Структура, получающаяся в промежуточной области, называется бейнитом и разделяется на два типа. Верхний бейнит обладает меньшей твердостью из-за меньшей степени пересыщения углеродом и большей хрупкостью из-за того, что карбидные частицы выделяются преимущественно на границах пластин -фазы и имеет перистое строение. Нижний бейнит обладает большей твердостью из-за большей степени пересыщения углеродом -фазы и большей вязкостью из-за того, что частички карбидной фазы образыются внутри -кристаллов и имеет игольчатое строение. Для получение в структуре сталей весьма удачной по сочетанию механических свойств структуры нижнего бейнита существует специальный вид термической обработки – изотермическая закалка.

Таким образом изменяя условия распада аустенита, можно получать сталь с различной структурой и соответственно свойствами, что и используется в практике термической обработки.

Диаграммы изотермического распада аустенита в до- и заэвтектоидных сталях отличаются от диаграммы для эвтектоидной стали наличием области, в которой происходит выделение феррита, если сталь доэвтектоидная, или цементита, если сталь заэвтектоидная.