Материал: Материаловедение и технология материалов . лабораторный практикум. Орлов А.С., Рубцова Е.Г

t, C

t1

Нагрев Выдержка Охлаждение

Рис. 3.1. График термической обработки

В результате термической обработки в сплавах происходят структурные изменения. После термообработки металлические сплавы могут находиться в равновесном (стабильном) или неравновесном (метастабильном) состоянии. Равновесное состояние достигается тогда, когда полностью завершатся все протекающие в сплавах процессы. При этом строение сплава будет соответствовать диаграмме состояния. Неравновесное состояние получается при условиях, препятствующих полному завершению протекающих процессов.

Обозначения критических точек (температур), характеризующих по-

лиморфные превращения в стали, принимаются в соответствии с диаграммой Fe - FeзC (см. рис. 1.1). Равновесные температуры, отвечающие положению линий PSK, GS и SE диаграммы, обозначают:

А1 – температура равновесия аустенита с ферритом и цементитом (линия

PSK);

А3 – температура верхней границы равновесной области феррит - аустенит (линия GS);

Аcm – температура верхней границы равновесной области вторичный цементит – аустенит (линия SE) (cm – цементит).

Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении (поскольку они не совпадают: при нагреве необходимо перегреть выше равновесных температур, а при охлаждении переохладить), к обозначению критической точки при нагреве приписывают букву с, а при охлаждении букву r:

Ас1 – температура начала образования аустенита при нагреве стали; Ас3 – температура окончания образования аустенита при нагреве доэвтек-

тоидной стали;

26

Асcm – температура окончания растворения вторичного цементита в аустените при нагреве заэвтектоидной стали;

Аr1 – температура окончания превращения аустенита в перлит при охлаждении стали;

Аr3 – температура начала превращения аустенита в феррит при охлаждении доэвтектоидной стали;

Аrcm – температура начала выделения вторичного цементита из аустенита при охлаждении стали.

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше Ас3 (для доэвтектоидной стали) или выше Аcсm (для заэвтектоидной стали), переохладить до температуры ниже Аr1, то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращение. Для описания кинетики превращения переохлажденного аустенита пользуются экспериментально построенными диаграммами «время – температура – степень распада» или диаграммами изотермического превращения аустенита, т.е. превращения, протекающего при постоянной температуре (рис. 3.2).

На диаграмме можно выделить следующие области: 1) область устойчивого аустенита; 2) область переохлажденного аустенита; 3) область превращения аустенита в перлит; 4) область закончившегося превращения; 5) область мартенситного превращения (между Мн – Мк); 6) мартенситная область (ниже Мк). Диаграмма изотермического превращения позволяет определить конечную структуру для данной марки стали, если известна температура или скорость превращения. Рассмотрим структуры, образующиеся при превращении аустенита.

Перлитное превращение

Перлитное превращение переохлажденного аустенита протекает при температурах А1 – 500 С (рис. 3.2, область I). При перлитном превращении ведущей фазой является цементит. Его зародыши, как правило, образуются на границах зерен аустенита. В результате образования пластинок цементита соседние участки в аустените обедняются углеродом, что приводит к полиморфномупревращению и образованию ферритно-цементитной структуры:

А (Ф + Ц) П.

При увеличении переохлаждения увеличивается количество зародышей новой фазы и растет дисперсность пластинок феррита и цементита. Если превращение происходит при высоких температурах (низкая скорость охлаждения, малая степень переохлаждения), получается грубая смесь феррита и цементита, которая называется перлитом. Понижение температуры превращения вызывает образование смеси более тонкого строения, которое получила название сорбит. При еще более низкой температуре образуется троостит - структура более дис-

27

Рис. 3.3. Схемы структур перлитного превращения: а) перлит; б) сорбит; в) троостит

Мартенситное превращение

При больших степенях переохлаждения возрастает термодинамическая неустойчивость аустенита, а скорость диффузии углерода и железа резко падает. При переохлаждении аустенита в эвтектоидной стали до 240 С подвижность атомов углерода близка к нулю и происходит бездиффузионное превращение аустенита (рис. 3.2, область III). При этом меняется лишь тип решетки

, а весь углерод, ранее растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита, хотя равновесная концентрация углерода в феррите не превышает 0,006 % при комнатной температуре.

В результате этого образуется мартенсит – неравновесный пересыщенный твердый раствор внедрения углерода и других элементов в -железе, полученный в результате бездиффузионного превращения (перестройки кристаллической решетки -железа без изменения массовой доли углерода). Из-за пересыщенности углеродом решетка мартенсита сильно искажена и вместо кубической приобретает тетрагональную форму, при которой отношение параметров решетки существенно отличается от единицы c/а 1. Чем больше углерода, тем выше степень тетрагональности мартенсита.

Мартенсит имеет высокую твердость (до HRC 65) и хрупкость. Высокая твердость мартенсита обусловлена искажениями кристаллической решетки, связанными с большими внутренними напряжениями, а также возникновением фазового наклепа за счет увеличения удельного объема при превращении аустенита в мартенсит.

Мартенситное превращение идет в интервале температур начала и конца мартенситного превращения Мн и Мк и не доходит до конца. Для эвтектоидной стали оно начинается при + 240 С и заканчивается при - 50 С. Однако при этой температуре в стали сохраняется еще некоторое количество непревращен-

29

ного так называемого остаточного аустенита. Охлаждение ниже температуры Мк не приводит к его окончательному превращению. Процесс мартенситного превращения происходит с большой скоростью и связан с увеличением объема. В результате возникают большие внутренние напряжения, которые противодействуют полному протеканию процесса превращения, поэтому в стали всегда кроме мартенсита будет и некоторое количество остаточного аустенита.

Минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит без образования структур перлитного типа, называется критической скоростью закалки (Vкр) (рис. 3.10). При совмещении кривых охлаждения с диаграммой изотермического превращения критическая скорость охлаждения проводится по касательной к С-образной кривой.

Кристаллы мартенсита в зависимости от состава стали, а следовательно, и от температуры своего образования могут иметь различные морфологию и субструктуру. Различают два типа мартенсита – пластинчатый, образующийся в основном в высокоуглеродистых сталях, и реечный, образующийся в конструкционных углеродистых и легированных сталях (рис.3.4).

Рис. 3.4. Схема пластинчатого (игольчатого) (а) и реечного (массивного) (б) мартенсита

Промежуточное (бейнитное) превращение

Бейнитное (промежуточное) превращение протекает в температурной области между перлитным и мартенситным превращениями (см. рис. 3.2, об-

ласть II). В результате промежуточного превращения образуется бейнит, представляющий собой структуру, состоящую из -твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение и несколько пересыщенного углеродом и частицами карбидов.

Бейнитное превращение переохлажденного аустенита сочетает в себе элементы перлитного и мартенситного превращений: диффузионное перераспределение углерода в аустените между продуктами его распада и мартенситное бездиффузионное превращение железа. Бейнитное превращение протекает

30