Распад аустенита

• Превращение аустенита в перлит.

• Если сталь охлаждать очень медленно, то происходящие превращения можно установить по диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов (слайд 7). При температуре А₁ (727^ОС) должно происходить эвтектоидное превращение γ → α + Fe₃C (слайд 6).

• Термодинамическим условием этого превращения является некоторая степень переохлаждения, когда свободная энергия перлита становится меньше свободной энергии аустенита.

• Для изучения кинетики и механизма превращения аустенита при охлаждении стали с большей скоростью проводят специальные эксперименты.

• Рассмотрим превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали (0, 8%С). Образцы нагревают до t≈ 770^ОС, при которой ее структу-ра состоит из однородного аустенита. Затем образцы быстро переносят в термостаты с заданной температурой – ниже А1 (интервал между изотер-мами 25-30^ОС), и в процессе изотермической выдержки наблюдают за происходящими в аустените превращениями.

• Процесс превращения аустенита в перлит можно изобразить в виде кинетической кривой превращения в координатах степень превращения – время (слайд 14 рис.а), которая соответствует одной температуре и одной определенной степени переохлаждения.

• В точке а обнаруживается начало превращения (≈ 1% перлита). Отрезок до точки а – инкубационный период. В точке b – превращение заканчивается. Отрезок до точки b – время превращения. Максимум скорости превращения соответствует примерно тому времени, когда превратилось ≈ 50% аустенита.

• Рис. 4 Кинетические кривые превращения аустенита в перлит: а) – одна кривая, б) – серия кривых

• а – начало превращения; b – конец превращения

• На слайде 13 рис.б показана серия кинетических кривых, относящихся к разным температурам (разным степеням переохлаждения).

• При высокой температуре t1 (малая степень переохлаждения) превращение развивается медленно - продолжительность инкубационного периода и время превращения велики. При увеличении степени переохлаждения (снижении температуры превращения) скорость превращения возрастает. Максимум скорости превращения соответствует температуре t4. Дальнейшее снижение температуры приведет уже к уменьшению скорости превращения.

• По полученным данным строят диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита в координатах «температура – логарифм времени» или

• С-образную диаграмму, которая для эвтектоидной стали будет иметь следующий вид (слайд 15):

Рис. 5. Диаграмма изотермического превращения аустенита для эвтектоидной стали

Рис. 6. Схема возникновения и роста перлитного зерна:

I – аустенит; II – образование зародыша цементита на границе зерна аустенита; III – формирование пластин цементита и феррита; IV – VI - рост и развитие новых пластин перлита; VII – перераспределение углерода при его образовании

• Левая кривая I (совокупность точек а) указывает время начала превращения, линия II (совокупность точек b) – время конца превращения переохлажденного аустенита. В области левее линии I существует переохлажденный аустенит А_п. Между линиями (заштрихованная часть) происходит превращение аустенита. Правее линии II находится область существования продуктов аустенита.

• В верхней части диаграммы (выше 550^ОС) происходит перлитное превращение. Это превращение носит диффузионный характер, так как оно сопровождается перераспределением углерода между ферритом и цементитом.

• Максимальная скорость превращения соответствует переохлаждению на 150-200^оС. При этих температурах (≈ 550^оС) устойчивость аустенита минимальная.

• С увеличением степени переохлаждать (т.е. чем ниже температура изотермической выдержки) растет число зародышей новых зерен, число ферритоцементитных пластинок увеличивается, а их размеры и расстояния между ними сильно сокращаются. Таким образом, дисперсность образующихся фаз растет.

• Перлит, сорбит, троостит представляют собой механические смеси феррита и цементита. Они различаются только по степени дисперсности. При этом повышается их твердость.

• При медленном охлаждении со скоростью V₁ (вместе с печью) образуется сравнительно грубая пластинчатая смесь – обычный перлит. Твердость по Роквеллу HRC=0; σ _в=600 МПа.

• При охлаждении на воздухе со скоростью V₂ образуется сорбит, который отличается от перлита более тонкодисперсным строением HRC=20; σ _в=850 МПа.

• При охлаждении в масле со скоростью V₃ образуется еще более высокодисперсный троостит, HRC =30; σ _в= 1100 МПа.

• Лучшую пластичность и вязкость, а вместе с тем и прочность, имеет структура сорбита. Стали с сорбитной структурой более износостойкие. Используются для изготовления нагруженных изделий. Стали со структурой троостита обладают значительной упругостью. Используются для изготовления пружин, рессор.

Превращение аустенита в мартенсит.

• При охлаждении образцов со скоростью выше критической при темпера-туре 240° (линия MН) начинается γ → α превращение. При этих темпера-турах скорость диффузии мала, по этому превращение носит бездиффузи-онный характер. При бездиффузионном превращении весь углерод, раст-воренный в решетке аустенита, остается в решетке феррита. В результате образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α -железе – мартенсит. При этом ОЦК-решетка сильно искажается, превра-щаясь из кубической в тетрагональную (с/а > 1). Кристаллы имеют форму пластин, в плоскости шлифа структура выглядит как игольчатая (слайд 20 рис. 8).

• Наименьшая скорость охлаждения, необходимая для образования струк-туры мартенсита называется критической скоростью закалки – V_кр.

• Прямая Mн является границей между верхней и нижней частями диаг-раммы. Эта прямая характеризует начало мартенситного превращения аустенита

• Нижняя часть диаграммы показывает, что для перевода всего остаточно-го аустенита в мартенсит необходимо понижать температуру стали до ли-нии Mк (конец мартенситного превращения).

• Положение точек Mн и Mк зависит от содержания в стали углерода и присутствия легирующих элементов. Оно не зависит от скорости охлажде-ния. Поэтому на С-образной диаграмме эти линии горизонтальные.

• Все легирующие элементы, кроме кобальта, увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита. По этому С-образные кривые сдвигаются вправо, в сторону больших времен выдержки. Вместе с тем снижается критическая скорость закалки.

• Температурный интервал Mн – Mк (мартенситное превращение) снижа-ется вплоть до отрицательных температур. То же самое наблюдается в присутствии большого количества углерода. При содержании углерода свыше 0, 6% Mк находится в области отрицательных температур. Напри-мер, превращение всего аустенита в мартенсит для эвтектоидной углеродистой стали наступит лишь при температуре -50°.

• Малейшая изотермическая выдержка в интервале температур Mн – Mк приводит к стабилизации аустенита, то есть превращение не доходит до конца, и кроме мартенсита в структуре наблюдается т.н. остаточный аус-тенит.

• Мартенсит – очень твердая и хрупкая структура. Свойства зависят от ко-личества углерода: HRC =55-65; σ _в= 1600 -2200 МПа.

• В интервале температур между перлитным и мартенситным превраще-ниями происходит промежуточное превращение - бейнитное. Образуется смесь кристаллов феррита и цементита. В отличие от перлитных структур – в феррите повышенное содержание углерода, т.к. при этих температу-рах диффузионные процессы сильно замедляются и перераспределение углерода не происходит в полной мере.

• Различают верхний бейнит и нижний бейнит. Нижний бейнит, получен-ный при температуре на 50-100^оС выше Mн обладает благоприятным со-четанием свойств: сочетание прочности и пластичности: HRC=40; σ _в=1350 МПа.

Рис. 8. Схема перестройки кристаллической решетки в процессе превращения аустенита в мартенсит