Рост зерна аустенита при нагреве

Зерна аустенита, образующиеся при нагреве стали выше критической точки А₁,получаются мелкими (начальное зерно аустенита). При дальнейшем повышении температуры нагрева или длительности выдержки при данной температуре происходит рост зерна аустенита. Зерно обычно растет самопроизвольно - слиянием и поглощением более мелких зерен более крупными, т. е. путем увеличения размера одних зерен за счет других в результате стремления всей системы к уменьшению свободной энергии (вследствие сокращения поверхности зерен) и к увеличению термодинамической устойчивости. Движущей силой роста зерна аустенита является разность свободных энергий мелкозернистой структуры (где поверхностная энергия очень велика) и крупнозернистой структуры аустенита. Склонность к росту зерна с повышением температуры у сталей различная. Под наследственной зернистостью подразумевается склонность аустенитного зерна к росту при повышении температуры.

При росте зерна атомы переходят (в результате самодиффузии) от соседнего зерна к растущему через границу, вследствие чего границы зерен перемещаются. На рисунке 2 показан рост зерна образца технического железа при 1000 ºС в течение 30 мин (выдержка в вакууме, границы зерен отмечены стрелками), а затем температура была повышена до 1050 ºС на 10 мин (границы новых зерен отмечены стрелками с кружками).

.

По склонности к росту зерна различают стали наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые.

Схематическое изображение роста зерна в наследственно крупнозернистой и наследственно мелкозернистой сталях приведено на рисунке.3 В наследственно мелкозернистой стали при нагреве до 1000 - 1050°С зерно увеличивается незначительно, но при более высоком нагреве начинается бурный рост зерна. В наследственно крупнозернистой стали уже при небольшом нагреве выше А₁ происходит очень сильный рост зерна.

Наследственно мелкозернистыми являются стали, раскисленные в процессе выплавки алюминием, образующим устойчивые дисперсные частицы AlN, которые при затвердевании стали располагаются по границам зерен, образуя барьер, и препятствуют росту зерна при нагреве. Однако такое торможение роста зерна аустенита существует только до определенной температуры нагрева, при которой происходит растворение частиц AlN, и зерно растет даже в большей степени, чем в наследственно крупнозернистой стали.

В заэвтектоидных сталях рост зерна аустенита может сдерживаться нерастворившимися карбидными частицами; в доэвтектоидных сталях сдерживающее влияние на рост зерна оказывают участки феррита в интервале температур Aс₁ - Aс₃. Карбидообразующие легирующие элементы также замедляют рост зерна аустенита. Наиболее сдерживают рост зерна труднорастворимые дисперсные карбиды титана, вольфрама, молибдена, циркония, ниобия и ванадия, располагающиеся по границам зерен.

Стали, раскисленные в процессе выплавки кремнием и марганцем, с повышением температуры склонны к непрерывному росту зерна, т.е. являются наследственно крупнозернистыми. Термины наследственно крупнозернистая и наследственно мелкозернистая сталь не означают, что данные стали всегда будут иметь крупное или мелкое зерно. Наследственное зерно означает лишь, что крупнозернистая сталь будет иметь крупное зерно при более низких температурах нагрева по сравнению с мелкозернистой. Поскольку наследственно мелкозернистая сталь при высокой температуре нагрева может иметь более крупное зерно аустенита, чем наследственно крупнозернистая, введено понятие действительного зерна, т. е. зерна аустенита, определяемого температурой нагрева, продолжительностью выдержки при ней и склонностью данной стали к росту зерна при нагреве. От размера зерна аустенита, образовавшегося при нагреве (действительного зерна), зависит размер зерна продуктов распада аустенита при охлаждении. Если зерно аустенита мелкое, то и продукты распада аустенита получаются мелкими, т. е. действительное зерно при последующем охлаждении не изменяется.

Влияние величины зерна на свойства стали.

Величина действительного зерна практически не влияет на механические свойства, получаемые при испытании на статическое растяжение (σ_В, σ_0,2, δ, ψ) и на твердость. Рост зерна, главным образом, резко снижает ударную вязкость и повышает порог хладноломкости. Крупнозернистая сталь более склонна к закалочным трещинам, деформации и короблению. Разнозернистость стали способствует снижению ее конструктивной прочности и вызывает охрупчивание, особенно у деталей, имеющих концентраторы напряжений.

Определение величины зерна.

Размер зерна аустенита по ГОСТу определяют различными методами: цементацией, окислением, по ферритной или цементитной сетке, травлением границ зерен.

По методу цементации образцы доэвтектоидной стали нагревают при 930°С в течение 8 ч в активном карбюризаторе с целью насыщения поверхности углеродом до заэвтектоидной концентрации. Далее медленно охлаждают, в результате чего по границам зерен аустенита выделяется вторичный цементит, образуя сплошную сетку, по которой и определяют после охлаждения величину бывшего зерна аустенита.

При определении величины зерна по методу окисления металлографический шлиф нагревают в защитной атмосфере, а после выдержки окисляют поверхность подачей в печь воздуха. При этом по границам бывших зерен аустенита образуется сетка оксидов, выявляющая границы зерен.

По методу выявления величины зерна по ферритной сетке (для доэвтектоидной стали) или цементитной (для заэвтектоидных сталей) образцы нагревают до заданной температуры и охлаждают со скоростью, обеспечивающей образование сетки феррита или цементита.

Определяют величину зерна аустенита на образцах после закалки и отпуска методом травления микрошлифов в растворе пикриновой кислоты с добавлением 0,5-1,0% моющих средств.

Величину зерна аустенита определяют под микроскопом при увеличении в 100 раз, сравнивая видимые на микрошлифе зерна с эталонными изображениями зерен, предусмотренными стандартной шкалой величины зерна. Величину зерна оценивают баллами. Между баллом зерна стандартной шкалы, средним диаметром зерна и числом видимых зерен, помещающихся на 1 мм² микрошлифа, существует прямая зависимость. Принято считать, что стали с зерном № 1 - 5 являются наследственно крупнозернистыми, а с зерном № 6 - 14 – мелкозернистыми.

Поиск по сайту: