4.3. Фазові перетворення в сталях при ізотермічному охолодженні

Для розуміння явищ, які відбуваються в металі при тер- мічній обробці, та визначення режиму її здійснення, прово- дять експериментальне дослідження розпаду аустеніту при певних постійних температурах. Для спостереження за роз- падом аустеніту можна скористатися тим, що він не проявляє феромагнитних властивостей, тобто є парамагнетиком.

Такий експеримент можна провести з будь-якою сталлю, але для спрощення розглянемо ізотермічний розпад аустені- ту евтектоїдної сталі (0,8 %). Зразок нагрівають вище темпе-

ратури лінії точок A₁ . При цьому весь перліт перетвориться в аустеніт. Потім зразок переносять у термостати, які мають температури 700, 600, 500, 400, 300 ^oC . У кожному термо-

статі спостерігають за розпадом аустеніту і будують залеж- ність між кількістю розпавшогося аустеніту і часом. Час на горизонтальній осі заносять у логарифмічній залежності. Це дає можливість прослідкувати за перетвореннями, які відбу- ваються від долей секунд до доби і більше.

_{При розміщенні зразка в термостат з температурою}

t₁  700 ^oC

певний час ніяких фазових перетворень не спос-

терігається. Цей час на графіку (рис. 16) позначений точкою

a₁ . Його називають часом інкубаційного періоду, тобто ча- сом, протягом якого утворюються зародки нового зерна. Потім спочатку повільно, а далі дуже швидко починає розпадатись аустеніт. У кінці розпад знову сповільнюється і завершується

в точці

^б₁ ^{. При перенесенні нагрітого зразка в кожний по-}

слідуючий термостат характер розпаду аустеніту аналогічний,

_{але відмінність спостерігалась в часі інкубаційного періоду.}

_{Спочатку він зменшувався (до 500} ^oC _{), а потім почав зроста-}

ти.

Для зручності користування дані отриманого графіка (рис.

17, а) можна перенести в нову систему координат. По вертика- лі відкласти температуру, а по горизонталі — логарифм часу (рис. 17, б).

На новій діаграмі отримуються дві С-подібні лінії. Ліва з них — відповідає початку, а права — кінцю розпаду аустені- ту. Проміжок між ними показує час розпаду аустеніту.

49

_{Рис. 17}

На діаграмі ізотермічного розпаду аустеніту, в залежності від степеня переохолодження, розрізняють три температурні області перетворення: перлітну, бейнітну та мартенситну.

Перлітне перетворення відбувається по горизонтальній лінії при температурі в межах 700-500 ^oC . По цій лінії аус-

_{теніт розпадається в перліт.}

_{При температурі 650} ^oC _{інкубаційний період і час роз-}

паду аустеніту зменшуються, в результаті утворюється струк- тура сорбіт — різновидність перліту (механічна суміш фери- ту і цементиту з більшою дисперсністю карбідної складової).

При температурі 500 ^oC аустеніт перетворюється в тро-

остит, який являє собою дуже тонку суміш фериту і цементи- ту. Сталь, яка має структуру трооститу має підвищену твердість, достатню міцність, хорошу в’язкість і пластичність.

При температурах у межах 400 ^oC відбувається розпад

аустеніту у бейніт. Особливістю бейнітного перетворення є те, що воно протікає в інтервалі температур, де практично відсутня самодифузія заліза і легуючих елементів, але інтен- сивно може відбуватись дифузія вуглецю. Спочатку аустеніт

50

збіднюється із-за виділення карбідів вуглецю, що спричинює (при досягненні певного збіднення) утворення мартенситу. Чим вища температура ізотермічної витримки, тим більше збіднюється аустеніт, тим менше утворюється мартенситу. Тому зовнішній вигляд структури бейніту суттєво залежить від температури його утворення. Бейніт розділяють на верхній і нижній, залежно від того при якій температурі він утворюєть- ся — зверху інтервалу чи знизу. Нижній бейніт за своєю при- родою та властивостями мало відрізняється від ізотермічно- го мартенситу.

Головна відмінність бейніту від перлітних структур (пер- літу, сорбіту, трооститу) — вміст вуглецю у фериті. При ви- соких температурах вуглецю у фериті 0,01 — 0,02 %, а при

низьких — 0,1 — 0,2 %. При температурах у межах 200 ^oC

відбувається розпад аустеніту у мартенсит. Мартенсит має

характерну голчасту структуру.

Таким чином, основним фактором, який визначає струк- туру та властивості аустеніту, є температура перетворення. Якщо на діаграмі розпаду аустеніту нанести промені (лінії охолодження), то можемо вище сказані перетворення пов’я- зати з відповідними лініями.

^{Верхня лінія} v₁ ^{показує швидкість охолодження, при якій}

^{утворюється перліт, v}₂

^{— сорбіт, v}₃

^{— троостит і v}₄ ^—

бейніт. Лінії, які не перетинають С-діаграму, показують

швидкість охолодження аустеніту при якій утворюється мар- тенсит. Лінія, яка дотикається С-діаграми, називається кри- тичною. Швидкість охолодження, яка відповідає цій лінії, на- зивається критичною — ^v_кр . Ця швидкість відповідає охо- лодженню в охолодженому середовищі (воді, розчині солей у воді, мінеральних маслах тощо).

_{Як зазначалось, мартенсит утворюється, якщо аустеніт}

охолоджувати з швидкістю більше

^v_кр ^{. Але чим більша}

швидкість охолодження, тим будуть більші внутрішні напру-

ги, які потім важко усунути. Тому для утворення мартенситу аустеніт потрібно охолоджувати з швидкістю, близькою до ^v_кр . В нижній частині в окремих випадках швидкість охо- лодження варто зменшити, що сприятиме зменшенню внутрішніх напруг. Це можна здійснити шляхом охолоджен- ня аустеніту в двох середовищах з різною теплопровідністю

51

(через воду в мастило).

Для доевтектоїдної сталі С-діаграма зберігає загальний вигляд (рис. 18), хоча є і відмінності, особливо у верхній час-

тині. При переохолодженні до 650 ^oC перетворення почина-

ється виділенням фериту. Після цього починається розпад аус-

_{теніту на перліт.}

Продукти перетво-

рення аустеніту і їх твердість HRC

Перліт 10

Сорбіт 20

_{Троостит 30}

_{Бейніт 40}

_{Мартенсит 60}

Рис. 18.

Внесення в сталь легуючих елементів теж певною мірою змінює С-діаграму. Причому ці зміни залежать від того кар- бідоутворюючі чи не карбідоутворюючі елементи. Не карбі- доутворюючі легуючі елементи зсовують С-діаграму вправо (рис. 19, а), а карбідоутворюючі — розривають її ніби на дві частини (рис. 19, б).

_а) ^б)

Рис. 19.

52

Верхня частина відповідає перлітному, а нижня бейніт- ному перетворенню. Особливістю бейнітного перетворення є те, що воно не йде до кінця. Частина аустеніту, який зали- шається, перетворюється у мартенсит. Тоді кінцева структу- ра буде Б  М .

Зазначені вище особливості С-діаграми суттєво вплива-

ють на режим термічної обробки легованих сталей.

Внесення в сталь легуючих елементів зменшує критич-

ну швидкість охолодження. В окремих випадках вона може

навіть відповідати охолодженню на повітрі. В той же час

збільшується кількість залишкового аустеніту. Легуючі еле-

менти збільшують гартуємість сталі. Особливо сприяє цьому

молібден.

Більшість легуючих компонентів підвищують темпера-

_{туру критичних точок}

_{A1 і}

_{A3 . Наприклад, лінія перлітного}

перетворення

_A1 буде проходити не через 727 ^o_C , а вище.

Дифузійні процеси в легованих сталях проходять значно по-

вільніше, поскільки легуючі елементи утворюють тверді роз-

чини заміщення, а вуглець — втілення. Тому, наприклад, при гартуванні сталь треба нагрівати на 50 — 60 ^oC вище лінії

A₃ ^{. В результаті гартування легованих сталей отримують} структуру легованого мартенситу, що суттєво впливає на про- цеси, які протікають при відпуску.