Распад переохлажденного аустенита

Распад аустенита может происходить только при температурах ниже 727°С (критическая точка А₁ ), когда свободная энергия аустенита выше свободной энергии продуктов его превращения. Следовательно, для распада аустенит должен быть переохлажден. От степени переохлаждения, т.е. от температуры, при которой происходит распад аустенита, зависят скорость превращения и строение продуктов распада аустенита. Закономерности этого процесса характеризуются диаграммой изотермического превращения аустенита, т.е. распадом аустенита при постоянной температуре.

Если нагретую до состояния аустенита сталь быстро охладить до температуры ниже критической точки A₁ и затем выдержать при данной температуре, то превращение аустенита в феррито-цементитную смесь будет проходить в течение определенного времени. Такой процесс превращения аустенита при постоянной температуре (изотермический процесс) можно охарактеризовать определенными зависимостями. После охлаждения стали до температуры t ниже температуры критической точки А₁ аустенит сохраняется нераспавшимся некоторое время. Этот период времени называется инкубационным периодом. По истечении инкубационного периода начинается распад аустенита на феррито-цементитную смесь. С течением времени аустенит распадается все больше. Полный распад аустенита заканчивается по истечении времени. Следовательно, для распада аустенита на феррито-цементитную смесь при какой-то заданной температуре требуется определенное время.

Кривые изотермического распада переохлажденного аустенита приведены на рис. 4. Кривая превращения аустенита в феррито-цементитную смесь при температуре t₁ более низкой, чем температура А₁, приведена на рис. 4, а. При температуре t₂ более низкой, чем температура t₁ уменьшается время как инкубационного периода, так и распада аустенита на феррито-цементитную смесь (рис. 4, б), что объясняется увеличением разности свободных энергий аустенита и перлита (фактор, ускоряющий превращение), а скорость диффузии, хотя и снижается (фактор, замедляющий превращение), еще достаточно велика. При температуре t₃ это время наименьшее, аустенит наименее устойчив и распад его происходит наиболее быстро (рис. 4, в). С понижением температуры ниже температуры t₃ (при температурах t₄, t₅) время инкубационного периода и время распада аустенита на феррито-цементитную смесь увеличивается (рис. 4, г, д), что объясняется малой скоростью диффузии. Таким образом, с понижением температуры (т. е. с повышением степени переохлаждения) от А₁ до t₃ время как инкубационного периода, так и распада аустенита на феррито-цементитную смесь уменьшается, а затем с понижением температуры ниже t₃ увеличивается.

По экспериментальным кривым, полученным для многих температур переохлаждения (t_l, t₂ и т.д.), можно построить диаграмму изотермического превращения аустенита. Строят такую диаграмму следующим образом, экспериментальные кривые совмещают на одной диаграмме (рис. 5, а). По осям координат диаграммы (рис. 5, б) откладывают время (ось абсцисс) и температуру распада аустенита (ось ординат). Поскольку время распада аустенита может изменяться от нескольких секунд по нескольких часов, для удобства построения применяется логарифмическая шкала времени (ln τ). Затем проводят линии, соответствующие температуре А₁ и температуре начала мартенситного превращения (точка М_н). Точки а (начала распада аустенита) и б (окончания распада) для каждой температуры превращения переносят на соответствующие горизонтали температур. Затем точки а₁, а_г и т. д. соединяют, в результате чего получается левая кривая диаграммы. После переноса и соединения точек б₁, б₂ и т. д. получается правая кривая диаграммы. Получившиеся кривые похожи па русскую букву С, поэтому их называют С-кривыми. Левая кривая характеризует начало распада, а правая — окончание распада аустенита на феррито-цементитную смесь. В области между вертикальной осью и левой кривой аустенит находится в переохлажденном состоянии (инкубационный период).

Минимальное время существования переохлажденного аустенита до начала его превращения в феррито-цементитную смесь называется устойчивостью аустенита (время о—а₃ на рис. 5, б). Главным образом, она зависит от содержания углерода и легирующих элементов в стали и является важной характеристикой при термической обработке стали.

Приведенная на рис. 5, б диаграмма изотермического распада аустенита характерна для эвтектоидной стали.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области его превращения: перлитную, промежуточного превращения и мартенситную.

Перлитное превращение. Перлитная область распространяется на интервал температур от критической точки А₁ до изгиба С-кривой (~550°С). Распад аустенита с образованием перлита (эвтектоидный распад) является диффузионным процессом и развивается в результате флуктуации состава (неоднородности в распределении углерода в аустените). Как любой диффузионный процесс (например, кристаллизация жидкости) распад аустенита происходит путем возникновения зародышей (ч. з) и роста их с определенной скоростью (с. р). В аустените, оказавшемся в неравновесном состоянии при температуре ниже A₁, углерод диффундирует к наиболее дефектным местам кристаллической решетки, к местам скопления вакансий вблизи границ зерен. Поэтому зародыши цементита образуются по границам зерен аустенита.

Рост зародышей цементита происходит вследствие диффузии углерода из прилегающего аустенита, что приводит к обеднению углеродом аустенита, окружающего образовавшиеся пластинки цементита, и способствует превращению его в феррит за счет полиморфного превращения решетки гцк в оцк. Поэтому рядом с пластинками цементита образуются пластинки феррита. Дальнейшее утолщение ферритных пластинок ведет к обогащению окружающего аустенита углеродом, что приводит к зарождению новых пластинок цементита (вдоль границы аустенита) или к росту уже имеющихся. Таким образом, возникают участки перлита, называемые перлитными колониями, в которых пластинки цементита и феррита расположены параллельно.

При дальнейшем росте перлитной колонии эти пластинки удлиняются (краевой рост)и присоединяют новые пары пластинок (цементита и феррита), параллельные сходным (боковой рост). При краевом росте вблизи фронта распада аустенит неоднороден: у торца цементитной пластинки концентрация углерода низкая, а у торца ферритной пластинки – высокая. Такой перепад концентраций в аустените обеспечивает диффузионный перенос углерода вдоль фронта распада путем его диффузии в аустените, от мест обогащения возле феррита к местам обеднения возле цементита, что обеспечивает продолжение роста пластинок цементита и феррита. Такой процесс роста (краевого и бокового) перлитных колоний происходит до их столкновения, срастания и превращения всего аустенита в перлит.

Структура, состоящая из чередующихся параллельных пластинок феррита и цементита, характерна для всей перлитной области (от точки А₁ до изгиба С-кривой). Разница заключается только в том, что с увеличением переохлаждения ниже 727°С (с понижением температуры изотермической выдержки) увеличивается число зародышей на границах аустенитного зерна, пластинок феррита и цементита оказывается больше, они становятся более тонкими и искривленными. Межпластиночное расстояние, под которым понимают сумму толщин двух соседних пластинок феррита и цементита, уменьшается. С уменьшением межпластиночного расстояния значительно изменяются механические свойства - повышается прочность и твердость и уменьшается пластичность.

Под перлитом понимают продукты эвтектоидного распада аустенита, образующиеся при температурах 650 - 700°С (l₀ = 0,6 - 1,0 мкм; НВ 180 - 250;). Если аустенит переохлажден до 600 - 650°С и при этих температурах распадается, то образующаяся более мелкая феррито-цементитная смесь называется сорбитом (l₀ = 0,25 - 0,3 мкм; НВ 250 - 350). При переохлаждении аустенита до 500 – 600°Собразуется еще более мелкая феррито-цементитная смесь, называемая трооститом (l₀ = 0,1 - 0,15 мкм; НВ 350 — 450).

При изотермическом превращении аустенита доэвтектоидных сталей в интервале температур выше изгиба С-кривой процесс начинается с образования избыточного феррита. Так как растворимость углерода в α -железе значительно меньше, чем в γ-железе, то превращению аустенита в феррит предшествует диффузия углерода (от периферии в глубь зерна), в результате чего участки аустенита, обедненные углеродом, превращаются в феррит, а аустенит обогащается углеродом.

При небольшой степени переохлаждения (при температуре немного ниже точки А₁ ) углерод диффундирует в глубь зерна до тех пор (все с большим образованием феррита), пока аустенит не обогатится до содержания 0,8% С, после чего происходит перлитное превращение.

С повышением степени переохлаждения (с понижением температуры) изотермическое превращение ускоряется, диффузия углерода протекает в меньшей степени, избыточного феррита образуется меньше и получающаяся феррито-цементитная смесь содержит углерода меньше 0,8 %. При температуре, соответствующей изгибу С–кривой, диффузия углерода значительно уменьшается и аустенит распадается без образования избыточного феррита. Получается феррито-цементитная смесь (троостит) с таким количеством углерода, которое содержит данная доэвтектоидная сталь.

При изотермическом превращении заэвтектоидной стали процесс аналогичен; разница только в том, что вместо избыточного феррита из аустенита выделяется избыточный цементит и аустенит обедняется углеродом. Как правило, образовавшаяся феррито-цементитная смесь содержит более 0,8% углерода.

Получающаяся при распаде аустенита феррито-цементитная смесь, содержащая углерода меньше (или больше) 0,8%, называется квазиэвтектоидом (ложным эвтектоидом).

Мартенситное превращение. Мартенсит имеет совершенно отличную от других структур природу и образуется не так, как феррито-цементитные смеси. Характерной особенностью аустенито-мартенситного превращения является его бездиффузионный характер.

При большом переохлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частиц цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. Решетка γ-железа перестраивается в решетку α -железа. Углерод остается внутри решетки α -железа, в результате чего получается пересыщенный твердый раствор углерода в α -железе.

Значительное пересыщение α -железа углеродом вызывает изменение объемно-центрированной кубической решетки в тетрагональную, элементарной ячейкой которой является прямоугольный параллелепипед. Атомы углерода в такой ячейке располагаются в междоузлиях (что характерно для твердого раствора внедрения) или в центре основания (сторона а), или в середине удлиненных ребер (сторона с). Степень тетрагональности, характеризующаяся отношением осей с/а, увеличивается с повышением содержания углерода в твердом растворе, достигая в стали с 1,7% С значения 1,08.

Из изложенного следует, что мартенсит является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α -железе.

Превращение аустенита в мартенсит протекает в определенном интервале температур. При охлаждении оно начинается при некоторой температуре в точке М_н, которая в отличие от начала перлитного превращения не зависит от скорости охлаждения (для данной стали). Все большее превращение аустенита в мартенсит происходит по мере понижения температуры и заканчивается при температуре в точке М_к.

Характерным для мартенситного превращения является то, что даже при температуре конца превращения (точка М_к) полного образования мартенсита не происходит. Аустенит частично остается не превращенным в мартенсит и называется остаточным аустенитом А_ост .

Если в мартенситном интервале охлаждение приостановить и дать выдержку, то превращение аустенита в мартенсит почти сразу же прекращается. Эта особенность резко отличает мартенситное превращение от перлитного, которое полностью протекает при постоянной температуре ниже А₁. После выдержки при температурах, близких к температуре в точке М_к, не только прекращается образование мартенсита, но и увеличивается стойкость аустенита против мартенситного превращения при последующем охлаждении, т. е. аустенит в интервале температур мартенситного превращения М_н — М_к стабилизируется.

Мартенситный интервал температур определяется химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем при более низкой (но постоянной) температуре происходит превращение аустенита в мартенсит. Температура в точке М_к,так же как температура в точке М_н, понижается с повышением в аустените углерода. При содержании углерода более 0,6% мартенситное превращение заканчивается при температурах ниже нуля. Поэтому, для того чтобы в высокоуглеродистых сталях получить большее количество мартенсита, их следует охлаждать до температур ниже нуля.

Аустенито-мартенситное превращение сопровождается увеличением объема. Все структуры стали можно расположить (от максимального объема к минимальному) в следующий ряд: мартенсит — тростит— сорбит — перлит — аустенит.

При аустенито-мартенситном превращении мартенсит образуется в форме пластин, но обнаружить в плоскости шлифа мартенситную пластину трудно. Обычно в зависимости от угла сечения пластин плоскостью шлифа они наблюдаются под микроскопом в виде игл различной толщины.

Мартенситные пластины образуются почти мгновенно, со скоростью более 1000 м/с, только в пределах аустенитного зерна и не переходят границу между зернами. Поэтому размер игл мартенсита зависит от размера зерен аустенита. Чем мельче зерна аустенита, тем мельче иглы мартенсита и структура характеризуется как крупноигольчатый или мелкоигольчатый мартенсит. При наличии очень мелких игл, не различимых под микроскопом при обычно применяемых увеличениях (в 500 — 600 раз), мартенсит называют бесструктурным или скрытокристаллическим. Такая структура характерна для правильно закаленной стали. Пластинчатый (игольчатый) мартенсит образуется при закалке в средне- и высокоуглеродистых сталях.

Реечный мартенсит (называемый также пакетным) наблюдается в закаленных низко- и среднеуглеродистых сталях. Кристаллы этого мартенсита имеют вид реек (планок), вытянутых в одном направлении. Эти рейки объединены в пакеты. В одном зерне аустенита может быть несколько таких пакетов.

Механизм мартенситного превращения описан в классических работах акад. Г.В. Курдюмова. Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются одни относительно других на расстояния, не превышающие межатомные. При этом необходимо, чтобы граница раздела между старой (аустенит) и новой (мартенсит) фазами была когерентной, т.е. чтобы между решетками аустенита и мартенсита существовало хорошее сопряжение. Только при этих условиях возможно одновременное направленное перемещение атомов на расстояния, не превышающие межатомные, когда соседи любого атома в аустените являются соседями этого же атома в мартенсите (кооперативное превращение).

Поскольку объем аустенита отличается от объема мартенсита, на границе между ними возникают напряжения, все время усиливающиеся с ростом мартенситного кристалла и вызывающие пластическую деформацию в аустените. В результате пластической деформации нарушается когерентность решеток мартенсита и аустенита, образуется некогерентность решеток мартенсита и аустенита, появляется некогерентная граница (значительные искажения в расположении атомов);превращение может идти только диффузионным путем, а при низких температурах диффузионный переход невозможен, поэтому рост мартенситного кристалла прекращается.

Характерным для мартенситного превращения является также измельчение блочной структуры, появление в кристаллах мартенсита большого числа микродвойников, повышение плотности дислокаций, что наряду с образованием пересыщенного углеродом твердого раствора тетрагональной кристаллической решеткой обусловливает высокую твердость мартенсита (HRC 60 - 65).

Промежуточное (бейнитное) превращение. Область промежуточного превращения (промежуточное между перлитным и мартенситным) распространяется от изгиба С-кривой (~550°С) до критической точки М_Н. При изотермической выдержке в этой области температур образуется структура, называемая бейнитом (игольчатым трооститом).

Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита сочетает элементы перлитного и мартенситного превращений. В начальной стадии углерод в переохлажденном аустените перераспределяется с образованием обогащенных и обедненных углеродом участков аустенита. Участки обедненного углеродом аустенита претерпевают мартенситное γ→α -превращение. С течением времени при постоянной температуре изотермической выдержки образовавшийся мартенсит диффузионным путем превращается в феррито-цементитную смесь. Из участков аустенита, обогащенных углеродом, выделяется цементит, аустенит обедняется углеродом, и сначала происходит мартенситное бездиффузионное превращение, а затем из мартенсита образуется диффузионным путем феррито-цементитная смесь.

Ферритная фаза в бейните является пересыщенным раствором углерода в α -железе. Чем ниже температура промежуточного превращения, тем больше α -фаза пересыщена углеродом (до 0,1 — 0,2% С). Обогащенный углеродом аустенит, обладая высокой устойчивостью, нередко не претерпевает превращения и сохраняется как остаточный аустенит. Таким образом, в результате промежуточного превращения структура стали в наиболее общем случае состоит из α -фазы (феррита), пересыщенной углеродом, частиц цементита, образовавшихся в результате выделения из аустенита и при распаде мартенсита, и остаточного аустенита с концентрацией углерода, отличной от средней. Вся эта смесь высокодисперсна, имеет тонкопластинчатое строение, которое при обычных увеличениях невозможно различить.

В зависимости от температуры изотермической выдержки микроструктура и механические свойства бейнита различны. Бейнит, образующийся при более высокой температуре (немного ниже изгиба С-кривой), называется верхним бейнитом; он имеет перистое строение, напоминающее строение перлита, в связи с тем, что цементитные частицы располагаются между пластинами α -фазы; твердость верхнего бейнита ~ НВ450. Бейнит, образующийся при более низкой температуре (немного выше температуры мартенситного превращения), называется нижним бейнитом: он имеет игольчатое строение, очень похожее на строение мартенсита. Поскольку цементитные частицы располагаются внутри пластин α -фазы, твердость нижнего бейнита ~НВ 550. По сравнению с перлитными структурами пластины цементита в бейните короче, толщина и длина их уменьшаются по мере снижения температуры превращения.

Контрольные вопросы:

1. В каком температурном интервале происходит мартенситное превращение?

2. Чем отличается перлит от сорбита и троостита?

3. Механизм мартенситного превращения?

Поиск по сайту: