Превращения при охлаждении стали

Рис.3

Аустенит устойчив только при темпе­ратурах выше линии GSЕ. При охлаждении ниже этой линии он становится неустойчивым и начи­нает распадаться. При медленном охлаждении стали образуются структуры, соответствующие диаграмме Fе-Fе₃С. Вначале происходит выделение феррита (в доэвтектоидных сталях) или вторичного цементита (в заэв-тектоидных сталях). При достижении критической точ­ки А_с1 содержание углерода в аустените достигает 0,8 % и происходит превращение аустенита в перлит. Это пре­вращение заключается в распаде аустенита на феррит, почти не содержащий углерода и цементит, содержащий 6,67 % С. Поэтому превращение сопровождается диффу­зией, перераспределением углерода. Диффузионные процессы происходят в течение некоторого времени, причем скорость диффузии резко падает с понижением температуры.

Обычно изучают изотермическое превращение аусте­нита (происходящее при выдержке при постоянной тем­пературе) для эвтектоидной стали. Влияние температу­ры на скорость и характер превращения представляют в виде диаграммы изотермического превращения аустени­та (рис. 3). Диаграмма строится в координатах темпе­ратура — логарифм времени. Выше температуры 727 °С на диаграмме находится область устойчивого аустенита. Ниже этой температуры аустенит является неустойчи­вым и превращается в другие структуры. Первая С-образная кривая на диаграмме соответствует началу превраще­ния аустенита, а вторая — его завершению. При небольшом переохлаждении — приблизительно до 550 °С происходит упомянутое выше диффузионное перлитное превращение. В зависимости от степени переохлаждения образуются структуры, называемые перлит,сорбит и тростит. Это структуры одного типа — механические смеси феррита и цементита, имеющие пластинчатое строение. Отличают­ся они лишь степенью дисперсности, т.е. толщиной плас­тинок феррита и цементита. Наиболее крупнодисперсная структура — перлит, наиболее мелкодисперсная — трос­тит. По мере увеличения степени дисперсности структур изменяются и механические свойства стали—возрастают твердость и прочность и уменьшаются пластичность и вязкость. Твердость перлита составляет 180-250 НВ, сор­бита 250-350 НВ и тростита 350-450 НВ. В отличие от перлита, сорбит и тростит могут содержать углерода боль­ше или меньше 0,8 %.

При переохлаждении аустенита приблизительно ниже 240 °С скорость диффузии падает почти до нуля и проис­ходит бездиффузионное мартенситное превращение. Об­разуется мартенсит — пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Мартенсит имеет ту же концентрацию углерода, что и исходный аустенит. Из-за высокой пересыщенности углеродом решетка мартенси­та сильно искажается, вытягиваясь и приобретая вместо кубической тетрагональную форму. Отношение парамет­ров такой решетки с/а (см. рис. 1.1) отличается от едини­цы. Благодаря этому мартенсит имеет высокую твердость (до НКС 65) и хрупкость.

Горизонтальная линия М_н диаграммы соответствует началу превращения аустенита в мартенсит, а линия М_к— завершению этого процесса. Мартенситное превращение происходит с очень высокой скоростью, так как оно яв­ляется бездиффузионным и его скорость определяется скоростью полиморфного превращения γ-железа в α-железо.

Положение точек начала и завершения мартенситного превращения зависит от содержания углерода. С увели­чением количества углерода температуры М_н и М_к снижа­ются. Для эвтектоидпой стали они составляют 240 и -50 °С соответственно. Если же эвтектоидную сталь охладить до комнатной температуры, то кроме мартенсита в ней будет присутствовать некоторое количество аустенита. При отсутствии немедленного дальнейшего охлаждения этот аустенит становится более устойчивым, при после­дующем охлаждении через некоторое время его превра­щение в мартенсит затруднено. Аустенит, сохраняющий­ся в структуре стали, называется остаточным. Небольшое количество остаточного аустенита находится в стали и после непрерывного охлаждения ниже точки М_к.

В диапазоне температур от мартеиситного до перлит­ного превращения происходит промежуточное превраще­ние, и образуется структура, называемая бейнит. Проме­жуточное превращение сочетает черты диффузионного перлитного и бездиффузионного мартеиситного превра­щений. Бейнит представляет собой структуру, состоя­щую из твердого раствора углерода в α-железе, менее пересыщенного углеродом чем мартенсит и мелких частиц цементита.

Диаграмма изотермического превращения аустенита может быть использована при рассмотрении превраще­ний аустенита не только при изотермической выдержке, но и при непрерывном охлаждении. В зависимости от скорости охлаждения будут образовываться различные структуры. При очень медленном охлаждении образует­ся перлит. По мере повышения скорости охлаждения будут получаться сорбит и троостит. Бейнит при непре­рывном охлаждении обычно не образуется. При очень быстром охлаждении образуется мартенсит.