ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД (ТЕО РИЯ ТЕРМИЧЕСКО Й ОБРАБОТКИ)

1. ПРЕВР АЩЕНИЕ ФЕРРИТО-ЦЕМЕНТ ИТ НОЙ (ПЕР Л ИТ А) СТРУКТУРЫ В АУСТ ЕНИТ ПР И НАГР ЕВЕ (АУ СТ ЕНИЗ АЦИЯ).

Образование аустенита при нагреве (аустенизация) является диффу­зионным процессом и подчиняется законам кристаллизации.

Эвтектоидная сталь - нагрев выше критической точки АС₁

(727°С).

П(а0 02%С + Fe3C6 67%С)^Уо 8%С Превращение состоит из двух одновременно проходящих про­цессов: полиморфного ос^у и растворения в аустените БезС. Зародыш аустенита возникает на границе раздела а и Fe₃C и рас­тет за счет диффузии атомов уг­лерода в аустените от феррита и цементита к зародышу аустени­та. Рост участков аустенита за счет полиморфного превращения идет быстрее, чем растворение Fe₃C. Поэтому после завершения ос^у превращения сохраняется Fe₃C. Для его растворения необ­ходимо дополнительное время.

 

образования

Схема изотермического аустенита при нагреве.

I $ * $

1. Исходная структура перлита.

2. Начало полиморфного ос^у превра­щения и растворения БезС в аустените.

3. Развитие превращения.

4. Полиморфное превращение закон­
чено, остался нерастворенный Fe₃C.

5. Конец превращения.

Чем выше скорость нагрева (V1), тем выше Т° образования аустенита и шире интервал температур превращения.

 

доэвтекто-нагрев до

Аустенизация идной стали температуры выше точки АС₃ - (а+П)^ у. Содержа­ние углерода в аустените меняется по линии GS диа­граммы.

Аустенизация заэвтектоидной ста­ли - нагрев до температуры выше точки АС₁ – П + Fe₃C_II→γ+ Fe₃C_II выше АС_m - γ + Fe₃C_II→γ содержание углерода в аус тените меняется по линии ES диаграммы.

Число образовавшихся на границе раздела фаз Ф-Ц зародышей аустенита достаточно велико, образовавшиеся зерно (начальное зерно) мел­кое. Дальнейший нагрев приводит к его росту (снижение энергии системы за счет уменьше­ния протяженности границ).

По склонности к росту различают:

I

Наследственное зерно

а – размер ис х о д но г о зерна пе р л ита ;

б – н а ч а л ь н о е зерно аус тенита;

в, г – на с л е д с тв е нно е зерно

(стандартная проба – размер зерна

при 930⁰С).

1 – наследственно крупнозерни­стые стали, зерно растет сразу. Эти стали раскис лены FeSi, FeMn.

2 – наследс твенно мелкозерни­стые стали. Зерно растет то л ьк о выше температур стандартной пробы. Стали раскислены FeSi, FeMn и Al.

Устойчивые дисперсные частицы (в основном АlN ) располагаются на границах зерна, образуя барьер, и препятствуют росту зерна при нагреве.

Действительное зерно

Действительное зерно - зерно, существующее при данной температуре. Его размер обу­словлен Т нагрева, временем выдержки и склонностью ста­ли к росту зерна при нагреве (наследственностью) От размеров действительного зерна зависит размер продук­тов распада аустенита при ох­лаждении и, следовательно, по свойствам стали. Величина действительного зерна практически не влияет на о_в, о₀,2, 5, ср. Рост зерна резко снижает вязкость и по­вышает температурный порог хладноломкости. Крупное действительное зерно ->пере­грев.

Перегрев можно исправить термической обработкой. Нагрев до высоких Т и появ­ления сетки окислов на грани­цах зерна - пережог, дефект исправить нельзя, сталь пере­плавляют.

2. ПРЕВРАЩЕНИЕ ПЕР ЕОХЛ АЖ Д ЕННОГО АУСТ ЕНИТ А

(ДИАГРАММА ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО РАСПАД А

ПЕРЕОХЛ АЖ Д ЕННОГО АУСТ ЕНИТ А)

Переохлаждение стали со структурой аустенит, полученной в р ез у л ьта те

аустенизации ниже точк и Аr_1, приводит аустенит в метастабильное состояние и

он претерпевает превращение.

Кинетика превращения описывается диаграммой изотермического пре­вращения (распада) аустенита, которая строится экспериментально в координа­та х t⁰ – время.

ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ

На г р е в образцов до температур ста­бильной аустенита (выше критиче­ской то ч к и) и быстрое охлаждение до температур ниже А₁, например 700⁰, 600⁰, 500⁰, 400⁰ и т.д.

Вы д е р ж к а при этих температурах до полного распада аустенита (фикси­руют изменение какого-нибудь свойства, например магнитных ха­рактеристик: аустенит парамагни­тен, а продукты его превращения ферромагнитны).

Построение кинетической кривой распада при заданной температуре.

период пре-

ОА – инкубационный вращения;

ау-

а – время начала превращения с тенита;

b – время конца превращения аусте-нита.

►

Схема построения диаграммы

Вр е м я начала превращения (то ч к и а₁, а₂, а_3,…) и конца превращения (то ч к и b₁, b₂, b_3,…) отнес ены к те м -пературе превращения (t₁, t₂, t_3,…) и одноименные то ч к и соединены ме­жду собой.

>

Диаграмма изотермического распада показывает превращение пе­реохлажденного аустенита, протекающее при постоянной тем пе-ратуре в течение определенного времени. На рис. 8,а приведена диаграмма эвтектоидной стали.

При изотермическом превращении в до- и заэвтектических сталях в верхнем интервале температур сначала выделяются избыточные фазы – феррит (доэвтектоидная) и цементит (заэвтектоидная) сталь. На диаграмме отмечается дополнительная кривая (б).

 

 

 

Перлитное превраще­ние протекает в интер­вале те м пе ратур от то ч к и А₁ до изгиба из о -те р м и ч е с к о й диаграммы (~550⁰С), происходит диффузионный распад аустенита с образова­нием перлитных струк-ту р – перлит, сорбит, троостит.

Бейнитное (промежу-
то ч н о е ) превращение
протекает при тем пе р а -
турах от ~550⁰С до
то ч к и Мн. Пр е в р ащ е -
ние имеет ряд особен­
ностей, присущих как
перлитному, так и мар-
тенситному превраще­
ниям. Образуется
структура - бейнит.

 

е-

Мартенситное

вращение – протека­ет в интервале те м -ператур (Мн-Мк). Аустенит бездиффу-зионно превращается в мартенсит, и оста­ется некоторое коли­чество аустенита не-превращенного.

ПЕРЛ ИТ НОЕ ПР ЕВР АЩЕНИЕ

Перлитное превращение связано с перераспределением углерода в ау-стените и полиморфным н-^ос превращением, что приводит к образо­ванию феррито-цементишой смеси - перлита. Превращение имеет диффузионный механизм.

Ао_;8о_/(С -> Фо_;02о/„ + Fe3C6_j67o_/o

МЕХАНИЗМ ПРЕВРАЩЕНИЯ

межпластинчатое расстояние

в

- образование зародыша Fe₃C местах флуктуации углерода (ча­ще на границах зерна аустенита).

- обеднение прилегающих к заро­дышу участков аустенита углеро­да за счет роста частиц карбида.

- полиморфное у^ос превращение в участках аустенита, обедненных углеродом. Кристаллы феррита зарождаются на границе аустенит

- цементит.

- рост плас тинок феррита и о тте с -нение атомов углерода в соседние объемы аустенита.

- образование флуктуаций углеро­да в этих объемах аустенита. Соз­даны условия для образования но­вых зародышей Fe₃C.

Температура превращения (степень переохлаждения относительно Ar1) влияет на структуру и свойства.

Л

 

^превращ., °С
Аr1 –
	■590
	■550

СТРУКТУРА

перлит

сорбит

троостит

мкм

0,6 - 1,0

0,25 - 0,30

0,1 - 0,15

НВ, МПа

1800 - 2500

2500 - 3500

3500 - 4500

Мар тенс ит – пе р ес ыщ енный упо р ядо ч енный т в е р д ы й раствор в недр ения углерода в решетке α-железа. С о д е р ж а ние углерода в мартенсите может быть т а к и м же, как в и с х о д н о м ау с тените (рас творимос ть углерода в Fe_α п р и 20⁰ ~ 0, 008%). А_0,8%С → М_0,8%С (не т перерас пределения углерода между фазами). Т емпературный инте р в а л пр е в р а щ е ния – Мн–Мк .

механизм превращения - сдвиговой процесс, который осуще­ствляется кооперативным, направлен­ным смещением атомов на расстояния меньше межатомного, что приводит к перестройке у-^ос решетки. Отсутст­вие диффузии углерода приводит к образованию тетрагонального иска­жения решетки (с/а Ф1).

с/а = 1 + 0,046С

кинетика превращения - мартенс итное п р е в р а щ е н и е протек ае т пр и не пр е р ы в но м охлаждении в инте р -вале те м пе р а ту р М н – М к . Рас тущие крис таллы к о г е р е н тн о связаны с ау с те-нито м . Т ипич на я форма кристаллов – пл ас тина ил и л инз а . Пр ев р ащ е ние не и д е т до к о н ц а , о с таетс я некоторое ко-личес тво А_ост.

кривая мартен ситн ого превращен ия

Свойства мартенсита зависят от количества уг­лерода в стали. Чем больше углерода, тем выше тв е р д о с ть , прочность, но ниже п л а с ти ч но с ть , выше хрупкость. Это объясняется влиянием внедренных атомов углерода в решетку α-фазы и повышенной плотностью дефектов кристал­лического строения, образовавшихся при мар-тенситном превращении.

Различают два основных морфологических типа мартенситных кристаллов

Мар тенс ит пл ас тинч атый (д в о йник о -вый). Образуетс я в выс окоуглероди-стых сталях ( > 0, 8 % С). Точка Мн низ к ая.

схема структуры Крис таллы М им е ют л инз о в ид ную форму, не параллельны, образуют сложные пр о с тр анс тв е нные г р у ппы.

Мартенсит реечный (пакетный). Образуется в сталях с содержанием углерода до 0,5 % Мн лежит при высоких температурах.

Схема структуры Кристаллы М имеют форму тонких (0,1 – 0,2 мкм) плас тин (реек), группа пластин образует пакет.

 

микроструктура

 

Кг »

микроструктура

В структуре сталей с содержанием углерода от 0,5 % - до 0,8 % присутст-

вуют оба типа мартенсита.

СТРУКТУРА БЕЙНИТ

В рез ультате промежуточного превращения образуется бейнит – структура, состоящая из α-тв ер до г о раствора, претерпевшего мартенситное превраще­ние и несколько пересыщенного углеродом и частиц карбида. Различают структуру: верхнего и нижнего бейнита.

Верхний бейнит

Образуется при 500 – 350⁰С, имеет вид "резаной соломы". Цементитные частицы в виде обособленных узких пласти­нок.

схема структуры

Пониженная прочность в соче­тании с невысокой пластично­стью.

Нижний бейнит

структуры

схема

Образуется при 350 – Мн. Им еет игольчатое (пластинчатое) строение. Частицы цементита выделяются в α-фазе. Вы с о к а я тв е р д о с ть и проч­ность в сочетании с хорошей пла-стичнос тью.

 

микроструктура, х 1000

микроструктура, х 1000

Легирующие элементы существенно влияют на скорость превращения аустенита при охлаждении.

Легирующие элементы не меняют механизм перлитного и бейнитно-го превращений, сдвигают диа­грамму изотермического распада аустенита вправо (за исключени­ем Со). Пр и легировании карби-дообразующими элементами мо­жет меняться вид диаграммы. Это приводит к увеличению устойчи­вости переохлажденного аустени-та и снижению V_{кр .}

Кривые критических скоростей закалки

уг леродистой (1) и легированной (2)

сталей

Vкр дает возможность

Снижение

закалки в масле, что с нижает за­кал напряжения, снимает короб­ление, поводку деталей.

Легирующие элементы не меняют механизма мартенситного превра­щения, но изменяют температурный интервал превращения Мн – Мк и количество аустенита остаточного в структуре (А_ост).

Снижение то чек Мн, Мк ниже ком­натной температуры та к ж е приводит к увеличению % А_ост, что ухудшает свойства стали.

ПРЕВРАЩЕНИЕ ПРИ ОТПУСКЕ

1

Нагрев закаленной стали до температур ниже АС₁ называют отпуском. При отпуске происходят структурные изменения, приводящие систему в более устойчивое состояние.

(М + Ао_ст) ->Ф + Fe₃C

ДИФФУЗИОННЫЙ МЕХАНИЗМ ПРЕВРАЩЕНИЯ (ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДА)

1

Т⁰СПроисходящие процессыСтруктура

 

Сегрегация уг­лерода	<100	Образование сегрегаций (с коплений) углерода на дислокациях.	М закалки
I превращение при отпуске: 1 стадия 2 стадия	< 200 200-300	Образование в мартенсите ε-карбида Fe2C (тонкие пла-с тинки). Уменьшение те тр а -гональнос ти мартенсита. Укрупнение плас тинок ε-карбида за счет углерода из участков пересыщенного раствора.	Мз^Мот плотность дисло­каций уменьшает­ся, искажения ре­шетки остаются. МотСосш р +е) % С уменьается
II превращение при отпуске	250-350	Образование Мот из Аост.	Мот, Аост. (М, о бед ненный углеродом + Fe3C)
III превраще­ние при отпус­ке	350-400	Полностью завершается процесс выделения углерода из мартенсита и образование цементита Fe3C.	Мот → Тотп троостит отпус­ка - α и Fe3C зернистой фор­мы.
IV превраще­ние при отпус­ке – коагуляция карбидов	500-600	Растворение мелких и рост крупных карбидов.	Тотп → Сотп сорбит отпуска – смесь кри­сталлов феррита и Fe3C, где dц~1 мкм.
600-680	Укрупнение частиц карбида	Зернистый перлит dц~3 мкм.

 

Легирующие элементы Cr, Mo, W, V, Co, Si затрудняют распад мартенсита и сдвигают температуру распада в область более высоких температур (450-500⁰С), тормозят коагуляцию карбидов. Стали приобретают повышенную сопротивляемость к отпуску – теплостойкость.

Элементы, не образующие карбидов, слабо влияют на превращение при от­пуске.

Пр и отпуске легированных хромистых и хромоникеле-вых сталей снижается ударная вязкость и повы­шается температура пере­хода в хрупкое состояние – отпус кная хрупкость. Не -обратимая хрупкость (I ро­да ~ 400⁰С) не исправляет­ся; обратимая (II рода ~ 500 –550⁰С) можно предот­вратить быстрым охлажде­нием (кривая 2).

13. ПРЕВРАЩЕНИЕ ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ОХЛАЖДЕНИИ

При реальных скоростях охлаждения аустенит переохлаждается ниже

температуры А₁ и становится нестабильн ым.

Чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения

аустенита, тем дисперснее (мельче) продукты его распада.

V_k – критическая скорость охлаждения – минимальная скорость, при кото­рой образуется мартенсит (касательная к С-образной кривой диаграммы). Скорость охлаждения: V₁ – образуется перлит, V₂ – сорбит, V₃ – троостит.

Бейнит при непрерывном охлаждении не образуется. Пр и скоро­сти V₄ часть аустенита переохлаждается до точки Мн. Структура при охлаждении с этой скоростью – троостит и мартенсит.

Охлаждение со скоростью V₅ > V_кр. переохлаждается до точки Мн и в структуре образуется мартенсит + А_{о ст.}

С увеличением скорости охлаждения свойства прочности, тв ер-дости возрастают, а пластичности и вязкости падают.

ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПЕ­РЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА.

Диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита приближенно характеризуют превращения, протекающие при непрерывном охлаждении.

Термокинетические диаграммы Т⁰-τ служат для разработки технологиче­ских режимов термической обработки. Эти диаграммы строятся с учетом различных скоростей охлаждения и их влияния на температурные интер­валы превращения и образующиеся структурные составляющие.

а б

Термокинетические диаграммы превращения переохлажденного аустени-та : а – эвтектоидная сталь; б – доэвтектоидная легированная сталь с 0,3 %С, 1,0 %Cr, 0,15 %Mo (тонкие линии на рис. а – диаграмма изотермиче­ского распада.

Диаграммы показывают, что при малых скоростях охлаждения углероди­стой стали проходит перлитное превращение с образованием феррито-цементитной смеси разной дисперсности (перлит, сорбит, троостит). П р и охлаждении со скоростью V > V_кр пер л итно е пр ев р а щ ение подав ляет-ся, А → М.

В легированных сталях существует область бейнитного превращения и возможно образование бейнита.

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ

Вопросы:

1. В чем причина фазовых превращений, протекающих при нагреве или охлаж­дении стали?

2. Какая критичес кая то ч к а соответствует перлитному превращению?

3. В чем различие между наследственно мелко- и наследственно крупнозерни­стыми сталями?

4. Что та к о е перегрев, пережог?

5. Каковы особенности перлитного превращения в стали, что так о е сорбит, троостит?

6. Что так о е мартенсит, какова его решетка, особенности мартенситного пре­вращения?

7. От чего зависят свойства мартенсита и отношение c/a?

8. Что та к о е критическая скорость охлаждения?

9. Что та к о е бейнит, типы бейнитной структуры?

 

10. Какие процессы протекают при отпуске закаленной стали?

11. Как влияет температура отпуска на механические свойства стали?

12. Какие структурные изменения протекают при отпуске стали?

13. По чем у охлаждение стали со скоростью меньше критической дает пони­
женную тв е р д о с ть стали?

14. Диаграмма изотермического распада аустенита.

15. Что та к о е о с та то ч н ы й аустенит?

16. Как влияют легирующие элементы на фазовые превращения при нагреве и охлаждении?

Задачи:

Задача № 1

Укажите структуру стали 45, которая образуется при нагреве до тем пера-туры 700⁰С, 750⁰С, 850⁰С, 950⁰С, 1000⁰С, если сталь была при выплавке допол­нительно раскислена алюминием в ковш? Изменится ли структура стали при подобном нагреве, если сталь раскислить то л ьк о FeSi или FeMn?

Задача № 2

Детали из стали У8 подверглис ь нагреву на температуру 780⁰С, пос ле че­го одна партия деталей охлаждалась с печью (очень медленно), а другая партия была перенесена в печь с температурой 500⁰С и выдерживалась в ней 2 часа. Какая структура будет у деталей I и II партий после обработки и будут ли отли­чаться их свойства?

Задача № 3

В сталях пос ле нагрева на температуру 770⁰С образовались структуры: а – мартенсит + феррит; б – мартенсит + цементит + А_ост. Определить ориентиро­вочно содержание углерода в сталях с разной структурой.

Задача № 4

Образцы стали У8 были нагреты на температуру 770⁰С и после выдержки охлаждались в разных средах – на воздухе, в масле, в воде, растворе NaCl в во­де. По с л е охлаждения образцы имели разную тв ер д о с ть. Объяс ните причину этого явления.

Задача № 5

В чем различие в фазовом составе и строении продуктов отпуска при 650⁰С и продуктов изометрического превращения переохлажденного аустенита при той же температуре в стали с содержанием углерода 0,4 %?

Задача № 6

В стали с содержанием углерода 0,45 % необходимо получить наилучшее сочетание свойств прочности и пл а с тич но с ти. Рекомендовать температуру от­пуска для этой стали и объяснить сделанный выбор.