Всего на сайте:
236 тыс. 713 статей

Главная | Химия

Диаграмма изотермического распада аустенита  Просмотрен 3090

Рассмотрим структурные превращения при охлаждении стали на примере эвтектоидной стали, у которой критические точки и А3 совпадают.

При охлаждении аустенита ниже температуры 727°С происходит распад последнего на феррит, почти не содержащий углерода, и цементит, содержащий 6,67% С. Этот процесс сопровождается диффузионным перераспределением углерода. О характере структур, формирующихся в условиях изотермического распада аустенита, можно судить по диаграммам изотермического распада (С-образным диаграммам). Строят С-образную диаграмму с помощью прибора анизометра Акулова, работа которого основана на магнитном принципе. Образец размещают в печи, температура которой выше 727°С, затем переносят в изотермическую ванну, температура которой немного ниже 727°С (например, 700°С) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита. Так как аустенит парамагнитный и магнитные свойства его не фиксируются, то как только начинается распад аустенита с образованием первых порций феррита, который является ферромагнетиком, анизометр сразу же регистрирует это превращение. На основании экспериментальных данных строятся кинетические кривые распада аустенита при разных температурах изотермической выдержки в диапазоне температур 727…240°С (рис. 3.8, а). Чаще всего изотермические выдержки проводят при температурах 700°С, 600°С, 550°С, 400°С и др.

Если охладить аустенит ниже 727°С, то распад аустенита происходит не сразу, какое-то время он ещё существует и в отличие от аустенита устойчивого, или равновесного, существующего при температуре выше 727°С, называется аустенитом неустойчивым. Время до начала распада аустенита называется инкубационным периодом.

На основе кинетических кривых распада аустенита строится диаграмма изотермического распада аустенита в координатах температура - lg времени (рис. 3.8, б).

Кривые на диаграмме имеют вид буквы С, поэтому их называют С-образными кривыми. Кривая 1 характеризует начало распада аустенита на феррито-цементитную смесь. Область, лежащая левее кривой начала распада аустенита, определяет область инкубационного периода. Кривая 2 отвечает концу распада аустенита.

Рис. 3.8. Диаграмма изотермического распада переохлаждённого аустенита эвтектоидной стали

Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходит распад. Выше изгиба С – кривых при распаде аустенита образуются структуры перлитного семейства, имеющие пластинчатое строение и отличающиеся дисперсностью (толщиной цементитных частиц и расстоянием между ними). Самой грубой структурой является перлит, более дисперсной - сорбит и ещё более дисперсной - троостит (рис.

3.9). С увеличением степени дисперсности структуры твёрдость и прочность возрастают, а пластичность и ударная вязкость уменьшаются.

Рис. 3.9. Структура феррито-цементитной смеси пластинчатого строения: а)-перлит; б)-сорбит; в)-троостит

Дисперсность перлитных структур оценивается межпластинчатым расстоянием, за которое принимают среднюю суммарную толщину соседних пластинок феррита и цементита. Для перлита оно составляет 0,6…1,0 мкм, для сорбита - 0,25…0,30 мкм, для троостита - 0,1…0,15 мкм.

Центры кристаллизации перлитных колоний зарождаются преимущественно на границах зерен аустенита и растут во все стороны.

Процесс распада аустенита на феррито-цементитную смесь является диффузионным. При перлитном превращении происходит перераспределение углерода: образуются пластинки феррита, содержащие крайне мало (0,006%) углерода, и пластинки цементита, содержащие 6,67% углерода. Для образования цементита необходимо перемещение атомов углерода на расстояния, значительно превышающие межатомные, так как среднее содержание углерода в твердом растворе до превращения гораздо меньше, чем в цементите.

Ниже температуры, соответствующей минимальной устойчивости аустенита, происходит бейнитное превращение. Бейнит представляет собой игольчатую структуру, состоящую из несколько пересыщенного углеродом феррита и частиц цементита (рис. 3.10, а). Бейнит твёрже и прочнее продуктов перлитного превращения.

Определяющей особенностью бейнитного превращения является тот факт, что оно протекает в интервале температур, когда затрудняется диффузия углерода. Механизм бейнитного превращения совмещает черты диффузионного перлитного и бездиффузионного мартенситного. Поэтому бейнитное превращение называют ещё промежуточным.

При переохлаждении аустенита до температуры ниже критической точки Мн (для эвтектоидной стали 230°С) диффузионные процессы полностью подавляются. Происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит - пересыщенный твёрдый раствор углерода в Feα (рис. 3.10, б).

Рис. 3.10. Микроструктура бейнита (а) и мартенсита (б)

Если в равновесном состоянии растворимость углерода в Feα при 20°с не превышает 0,006%, то его содержание в мартенсите может быть таким же, как в исходном аустените. Атомы углерода сильно искажают ОЦК решётку. Мартенсит имеет тетрагональную решётку, в которой один параметр решетки h больше другого а (рис.

3.11). Отношение h/a называется степенью тетрагональности решётки. Чем больше в мартенсите углерода, тем больше степень тетрагональности решётки.

Рис. 3.11. Тетрагональная решетка мартенсита

Особенностью мартенситного превращения является тот факт, что оно происходит в диапазоне температур Мн - Мкн - начало мартенситного превращения, Мк - конец мартенситного превращения). Поэтому в интервале температур Мн - Мк кроме мартенсита будет присутствовать аустенит, который в данном случае называют остаточным.

Если в мартенситном интервале охлаждение приостановить и дать выдержку, то превращение аустенита в мартенсит сразу же прекращается. Эта особенность резко отличает мартенситное превращение от перлитного, которое полностью протекает при постоянной температуре ниже А1.

Таким образом, можно выделить следующие особенности мартенситного превращения:

Превращение бездиффузионное.

Превращение происходит без инкубационного периода.

Превращение происходит в диапазоне температур Мн и Мк.

Температура начала (Мн) и конца (Мк) мартенситного превращения зависит не от скорости охлаждения, а от химического состава стали.

Мартенситное превращение отличается большой скоростью протекания, близкой к скорости звука в стали.

Большая скорость роста кристаллов мартенсита при относительно низких температурах объясняется тем, что превращение происходит вследствие малой величины смещения атомов.

Кристаллы мартенсита имеют форму пластин. Их размеры определяются размером исходного зерна аустенита.

Характерным для мартенситного превращения является измельчение блочной структуры, повышение плотности дислокаций, что наряду с образованием пересыщенного углеродом твёрдого раствора обуславливает высокую твёрдость мартенсита (60 HRC).

Мартенсит может образовываться из аустенита только при определённых условиях охлаждения - со скоростью критической или больше. Критическая скорость охлаждения VKp — это та наименьшая скорость охлаждения, при которой образуется чисто мартенситная структура без продуктов диффузионного распада. Графически эта скорость выглядит касательной к линии, соответствующей началу распада аустенита (рис. 4.12).

Рис. 3.12 Диаграмма изотермического распада аустенита для углеродистой и легированной стали

Легирующие элементы, сдвигая диаграмму изотермического распада аустенита вправо, уменьшают критическую скорость охлаждения.

Этот факт имеет положительное значение, т.к. позволяет охлаждать с меньшей скоростью легированные стали для получения мартенситной структуры, а соответственно и высокой твёрдости.

На рис. 3.12 схематически представлены диаграммы изотермического распада аустенита для углеродистой и легированной стали и показаны их критические скорости охлаждения.

Для углеродистой стали характерно то, что кривые начала и конца распада переохлаждённого аустенита (С-образные кривые) близко подходят к оси ординат (малый инкубационный период), что свидетельствует о малой устойчивости аустенита.

Все легирующие элементы, за исключением кобальта, замедляют распад переохлаждённого аустенита, увеличивая его устойчивость. Поэтому для легированных сталей, можно использовать, менее интенсивный охладитель, чем для углеродистых. Углеродистые стали охлаждают, как правило, в воде, а легированные - в масле.

Легирующие элементы существенно влияют на температурный интервал мартенситного превращения. Большинство легирующих элементов понижают мартенситные точки. В этом же направлении сказывается влияние углерода.

На рис. 3.13 приведена температура начала и конца мартенситного превращения в зависимости от содержания углерода.

Рис. 3.13 Влияние содержания углерода на температуру начала и конца мартенситного превращения

Как видно из графика (рис. 3.13) с увеличением количества углерода температуры начала и конца мартенситного превращения смещаются в область более низких температур.

 

Контрольные вопросы

1. Укажите на диаграмме Fe-Fe3C геометрические места точек Ас1 и Ас3.

2. Какое превращение происходит в стали при нагреве выше Ас1?

3. Как изменяется размер зерна аустенита при нагреве?

4. Что такое наследственно мелкозернистая сталь?

5. Как строят диаграмму изотермического распада аустенита?

6. Что такое инкубационный период?

7. Охарактеризуйте перлит, сорбит и тростит. Что между ними общее и чем они отличаются? Сравните их свойства.

8. Что представляет собой бейнит?

9. Как влияет углерод на положение точек Мн и Мк?

10. Какой физический смысл критических точек Мн и Мк?

11. Что представляет собой мартенсит? Какую он имеет решетку?

12. Что такое критическая скорость охлаждения?

13. Как влияют легирующие элементы на диаграмму изотермического распада аустенита?

14. Перечислите особенности мартенситного превращения?

 

Предыдущая статья:Превращение в стали при нагреве Следующая статья:Основные виды термической обработки стали
page speed (0.0092 sec, direct)