Влияние нагрева и скорости охлаждения углеродистой стали на ее структуру

 

Термической обработкой называется технологический процесс, включающий нагрев стали до определенной температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение с необходимой скоростью. Целью термической обработки является получение заданных свойств стали путем изменения ее структуры без изменения формы и размеров деталей.

Термическая обработка вызывает изменения в структуре материала в том случае, если сплав претерпевает превращения, вызванные полиморфизмом, диффузией или изменением растворимости одного компонента в другом. Часто эти процессы могут накладываться друг на друга и оказывать влияние на свойства материалов.

В исходном состоянии углеродистая сталь может иметь различную структуру в зависимости от содержания углерода: доэвтектоидная – феррит и перлит; эвтектоидная – перлит; заэвтектоидная – перлит и цементит вторичный.

Рассмотрим процесс нагрева эвтектоидной стали выше критической температуры Ас₁, когда структура состоит из перлита (рис. 10.1). 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.

Когда сталь переходит критическую температуру А₁, превращение сопровождают два параллельно идущих процесса: полиморфное превращение Fe_α (ОЦК) → Fе_γ (ГЦК) и растворение цементита в Fе_γ.

Растворение цементита не может начаться, пока сохраняется кристаллическая решетка феррита. Как известно, углерод в ней может максимально растворяться в количестве 0,02 %, поэтому вначале происходит зарождение кристаллов аустенита на межфазной поверхности раздела феррита и цементита. Зарождение сопровождается образованием центров кристаллизации аустенита, и, следовательно, происходит измельчение зерна. Только после образования Fе_γ возможно дальнейшее растворение углерода в аустените.

Полиморфное превращение происходит с более высокой скоростью, чем процесс растворения цементита, поэтому первоначально аустенит сохраняет неоднородность по углероду и за образованием зародыша аустенита следует его насыщение углеродом.

Начальная величина зерна аустенита зависит от количества зародышей, возникающих в данном объеме в единицу времени, и скорости их роста. Чем дисперснее структура перлита, тем мельче начальное зерно аустенита, т. к. у такой структуры больше поверхность раздела между ферритной и карбидной фазами, где и идет образование зародышей.

К окончанию превращения всего перлита в аустенит сталь состоит из большого количества мелких аустенитных зерен. Дальнейший нагрев или выдержка после окончания превращения ведет к их росту. Рост зерна аустенита происходит самопроизвольно и вызывается стремлением системы к уменьшению свободной энергии за счет сокращения поверхности зерен. Он происходит в результате увеличения одних зерен за счет других, более мелких.

Чтобы охарактеризовать поведение стали при нагреве в отношении изменений размера зерна, рассмотрим понятие о зерне аустенита, которое может быть:

· начальным зерном – размер аустенитного зерна в момент окончания перлито-аустенитного превращения;

· действительным зерном – зерном аустенита, полученным в данных конкретных условиях нагрева;

· наследственным зерном аустенита, характеризующим склонность зерна к росту при высоких температурах.

Склонность стали к росту зерна зависит от ее состава и раскисления. Стали, раскисленные только марганцем или марганцем с кремнием, относят к наследственно-крупнозернистым. Стали, раскисленные и модифицированные дополнительно алюминием, титаном, церием и другими элементами в количестве 0,05–0,1 %, относят к группе наследственно-мелкозернистых.

Переход через критическую точку А₁ сопровождается резким уменьшением размеров зерна. При дальнейшем нагреве зерно аустенита в мелкозернистой стали не растет до весьма высоких температур, после чего начинает быстро расти. В крупнозернистой стали ничто не препятствует росту зерна, который начинается сразу после перехода через критическую точку (рис. 7.1). Наследственно-мелкозернистая сталь при достаточно высокой температуре может иметь более крупное зерно аустенита, чем наследственно-крупнозернистая сталь, поэтому различают еще действительное зерно, полученное в стали при данной температуре нагрева. Размер действительного зерна аустенита определяется температурой нагрева, длительностью выдержки и склонностью данной стали к росту зерна.

Известно, что мелкозернистая сталь имеет более высокие механические свойства, поэтому природную зернистость сталей оценивают баллами специально разработанной шкалы зернистости (ГОСТ 5639-82).

 

 

наследственное зерно

 

Рис. 7.1. Схема роста зерна аустенита в наследственно-мелкозернистой
и наследственно-крупнозернистой эвтектоидной стали

 

Нагрев доэвтектоидной стали до температуры, значительно превышающей А₃ (1100–1200 °С), и последующее охлаждение приводят к образованию структуры, состоящей из крупных игл избыточного феррита, прорезающих крупные зерна перлита. В честь австрийского ученого
А. Б. Видманштетта такая структура была названа видманштеттовой структурой (рис. 7.2).

Нагрев стали до высоких температур, приводящий к образованию крупного действительного зерна и получению видманштеттовой структуры, называется перегревом стали. Грубую крупнозернистую структуру можно исправить повторной аустенизацией до температуры на 30–50 ºС выше точки А_3.

 

а) б)

Рис. 7.2. Схема (а) и фотография (б) микроструктуры Видманштетта

 

Еще более высокий нагрев стали, при котором по границам зерна появляются участки оплавления и происходит их окисление, вызывает пережог стали. При пережоге излом стали становится камневидным и является неисправимым браком.

Выше (в гл. 5) рассматривались фазовые превращения, происходящие в стали при медленном охлаждении из аустенитного состояния. Увеличивая скорость охлаждения или вводя легирующие элементы, можно значительно повысить степень переохлаждения аустенита, т. е. понизить температуру его превращения. От степени переохлаждения аустенита зависят механизм и кинетика превращения, структура и свойства продуктов превращения. Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяют на диффузионное (перлитное), промежуточное (бейнитное) и бездиффузионное (мартенситное).

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше А₃ (для доэвтектоидной стали), или выше А_ст (для заэвтектоидной стали), или выше А₁ (для эвтектоидной стали), переохлаждать до температуры ниже А₁ с различными скоростями, вызывая тем самым различную степень переохлаждения, то можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам.

Рассмотрим превращение переохлажденного аустенита на примере эвтектоидной стали (0,8 % углерода). Во время охлаждения ниже критической температуры А₁ происходит превращение его в почти чистое Fe_α и цементит.

А_{0,8 % С} → Ф_{0,02 % С} + Ц_{6,67 % С}.

Процесс образования перлита – это зарождение центров перлита и рост перлитных кристаллов. Этот процесс происходит во времени и может быть изображен в виде кинетической кривой превращения (рис. 7.3), показывающей количество перлита в зависимости от времени.

а

в

Время, с

Рис. 7.3. Кинетическая кривая превращения аустенита в перлит

 

Начальный период характеризуется малой скоростью превращения и имеет инкубационный период 0а. Длительность инкубационного периода зависит от степени переохлаждения аустенита. При снижении температуры, т. е. увеличении степени переохлаждения, скорость превращения возрастает, а продолжительность инкубационного периода и всего превращения сокращается.

Для изучения изотермического (при постоянной температуре) превращения аустенита образцы стали нагревают до стабильного аустенита, а затем переохлаждают аустенит до температур ниже А₁ (700, 600, 500 °С и т. д.) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита, фиксируя начало и окончание превращения.

Рис. 7.4. Построение диаграммы изотермического превращения
переохлажденного аустенита эвтектоидной стали (0,8 % углерода)

 

Пусть эти температурные значения будут t₁ > t₂ > t₃ (рис. 7.4,а), тогда построение диаграммы изотермического превращения аустенита будет выглядеть так, как показано на рис. 7.4,б. Горизонтальная линия М_Н показывает температуру начала бездиффузионного мартенситного превращения, М_К – его окончания.

Превращения, которые совершаются при разных степенях переохлаждения выше и ниже пика С-образной диаграммы, отличаются по кинетике превращений и по форме продуктов распада. Условно они разделены на три зоны: перлитное, бейнитное и мартенситное превращения.

Перлитное превращение переохлажденного аустенита является диффузионным. Вначале на границе аустенитного зерна образуется зародыш цементита. Объем вблизи его обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфное (γ→α) превращение. Кристаллы феррита зарождаются на границе с цементитом. В результате происходит совместный рост кристаллов феррита и цементита, образуются так называемые перлитные колонии. Чем больше переохлаждение, тем мельче получается феррито-цементитная смесь и тем прочнее и тверже она становится.

При высоких температурах превращения (650–700 ºС) и малых степенях переохлаждения получается грубая смесь феррита и цементита. Эта смесь называется перлитом. При более низких температурах (550–600 ºС) и, следовательно, больших степенях переохлаждения дисперсность структур возрастает и твердость продуктов повышается до 2500–3500 НВ
(≈25 HRC). Перлит более тонкого строения получил название сорбит (от фамилии английского ученого Г. К. Сорби).

При еще более низкой температуре (550 ºС) дисперсность феррито-цементитной смеси еще более увеличивается и получается структура, называемая троостит (по фамилии французского ученого А. Ж. Труста),
с твердостью 3500–4500 НВ (≈35 HRC).

Таким образом, перлит, сорбит и троостит – это структуры с одинаковой природой (феррит + цементит), отличающиеся между собой степенью дисперсности частиц феррита и цементита. Перлит может иметь зернистое и пластинчатое строение. Однородный аустенит образует пластинчатый перлит. Неоднородный аустенит при всех степенях переохлаждения превращается в зернистый перлит.

В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях сначала выделяется избыточная фаза – феррит или избыточный цементит, в остальном все происходит как в эвтектоидной стали.

Мартенситное превращение аустенита происходит в том случае, когда аустенит переохлажден до низких температур, при которых исключена диффузия.

Мартенсит (по фамилии немецкого ученого А. Мартенса) – упорядоченный перенасыщенный твердый раствор углерода в Fe_α. Мартенситное превращение состоит в перестройке γ-решетки в α-решетку без диффузии углерода. Г. В. Курдюмов дал очень понятное определение мартенситному превращению: «Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные».

Образовавшиеся кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы. Сдвиг атомов образует игольчатый микрорельеф на поверхности металлического шлифа, поэтому мартенсит называют мелкоигольчатым, скрытокристаллическим, реечным и т. д., в зависимости от исходной структуры аустенита. Аустенит и мартенсит имеют разную кристаллическую решетку и разный удельный объем, поэтому происходит рост упругих напряжений во всей детали. Это необходимо учитывать при их термической обработке, т. к. объем мартенсита больше объема аустенита.

Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку
(рис. 7.5), параметры которой (c и а) зависят от количества растворенного в нем углерода. Твердость мартенсита будет тем больше, чем больше углерода в стали (табл. 7.1).

Таблица 7.1

 

Твердость, НRС
Содержание С, %	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,8	1,0

 

Мартенситное превращение протекает в интервале температур от М_Н до М_К. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо сталь непрерывно охлаждать. Если охлаждение прекратить в интервале между М_Н и М_К, то это приведет к стабилизации аустенита. В закалённой стали, имеющей точку М_К ниже +20 °С (а именно – в углеродистых сталях, содержащих углерода более 0,5–0,6%, или легированных), всегда присутствует остаточный аустенит. Его количество тем больше, чем ниже температуры точек М_Н и М_К, т. е. чем выше содержание в аустените углерода и легирующих элементов.

a

c

C

Fe

атомы углерода

атомы железа

Рис. 7.5. Тетрагональная кристаллическая решетка мартенсита

 

Температурное значение точек М_Н и М_К не зависит от скорости охлаждения, а обусловлено химическим составом стали. С повышением содержания углерода и легирующих элементов в стали (кроме кобальта и алюминия) значения температур М_Н и М_К понижаются. Размеры кристаллов мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита.

Следует помнить, что мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения, искусственно полученная неравновесная структура и при определенных условиях она может превращаться в более равновесные структуры. Для структуры мартенсита характерна высокая прочность, твердость, износостойкость, кроме того, она имеет наибольший удельный объем в сравнении с другими структурами.

Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита протекает между перлитным и мартенситным превращением и сочетает в себе диффузионное перераспределение углерода в аустените между продуктами его распада и бездиффузионное (сдвиговое) мартенситное превращение при перестройке кристаллической решетки Fе_γ → Fе_α. Бейнит (по имени американского металлурга Э. Бейна) представляет собой двухфазную структуру, состоящую из кристаллов феррита и цементита. Особенность этого превращения заключается в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму. Бейнит, образующийся в интервале температур 550–350 ºС, называют верхним бейнитом, а образующийся при 350–240 ºС – нижним бейнитом.

Превращение переохлажденного аустенита можно осуществить в изотермических условиях, т. е. при постоянной температуре. Такое превращение аустенита описывается диаграммами изотермического превращения и редко используется в практике термической обработки сталей. Превращения аустенита при непрерывном охлаждении описываются термокинетическими диаграммами.

Такие диаграммы строят в координатах «Температура – Время» на основе анализа серии кривых охлаждения, на которых отмечают температуры начала и конца перлитного и бейнитного превращений. Термокинетические диаграммы имеют сложный вид, поэтому для упрощения будем рассматривать диаграмму изотермического превращения с наложенными на нее кривыми охлаждения (рис. 7.6).

Мн

аустенит переохлажденный

V3 троостит

Vкр

Время

Мк

V4 мартенсит

М+Аост

А→П

А

А1

П

V2 сорбит

V1 перлит

аустенит устойчивый

t, 0C

Рис. 7.6. Наложение кривых охлаждения на диаграмму
изотермического распада аустенита

 

На диаграмме отражены все ее особенности:

· при малых скоростях охлаждения (V₁, V₂, V₃) в стали протекает только диффузионный распад аустенита с образованием феррито-цементитной смеси различной степени дисперсности (перлит, сорбит, троостит);

· при охлаждении со скоростью V_КР – критической скорости закалки – или большей (V₄) переохлажденный аустенит превращается в неравновесную фазу – мартенсит.

В зависимости от скоростей охлаждения превращение аустенита может быть диффузионным и бездиффузионным. Критерием превращения является критическая скорость охлаждения V_КР. Это наименьшая скорость охлаждения, при которой подавляется диффузия атомов углерода.