Фазовые и структурные превращения в стали

ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ

Цель работы: получить практические навыки проведения термической обработки образцов из углеродистой стали с охлаждением в различных средах (вода, минеральное масло, воздух); изучить механизм диффузионного и бездиффузионного превращения аустенита при охлаждении стали.

Краткие теоретические сведения

Рассмотрим превращение переохлажденного аустенита на примере эвтектоидной стали (0,8 % углерода). При охлаждении аустенита ниже критической температуры Ас₁ (линии PSK, 727 °С) он теряет устойчивость и происходит его перекристаллизация (за счет полиморфного превращения γ-Fе в α-Fe). В зависимости от температуры превращения (степени переохлаждения) процессы распада переохлажденного аустенита происходят по диффузионному (перлитное превращение) и бездиффузионному механизму (мартенситное превращение), имеет место также промежуточное (бейнитное) превращение.

Превращение переохлажденного аустенита можно осуществить в изотермических условиях, т. е. при постоянной температуре и при непрерывном охлаждении с заданной скоростью. Изотермическое превращение аустенита описывается диаграммами изотермического превращения.

2.1.1. Диаграмма изотермического превращения аустенита

Для изучения структурного превращения стали ее нагревают до аустенитного состояния, а затем быстро охлаждают до определенного значения температуры (700, 600, 500 °С и т. д.), при которой выдерживают до полного распада переохлажденного аустенита. Кинетику процесса исследуют по термокинетическим кривым, построенным в координатах «процент превращения – время» (рис. 2.1, а). В течение некоторого промежутка времени аустенит не распадается (это время называется инкубационным периодом – точки а₁, а₂, …, а₅, соответствующие времени начала превращения). Затем начинается образование ферритоцементитной смеси, которое заканчивается через промежуток времени, соот-ветствующий положению точек б₁, б₂, …, б₅, на термокинетических кривых.

Время начала и конца распада аустенита при постоянных значениях температуры переносят на координатное поле «температура – логарифм времени», строят диаграмму изотермического превращения аустенита данной стали. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали (0,8 % С) представлена на рис. 2.1.

Две горизонтальные линии на рис. 2.1 соответствуют температуре перлитного A₁ и температуре начала мартенситного М_н превращения. Левая кривая характеризует время начала превращения, а правая – время конца превращения аустенита в интервале температуры A₁ – М_н. Данные кривые по форме подобны русской букве «С», и поэтому их, а иногда и диаграмму, называют
С-образными.

Область, лежащая слева от кривой начала распада аустенита, определяет продолжительность инкубационного периода. В интервалах температуры и времени, определяемых этой областью, существует переохлажденный аустенит. С увеличением степени переохлаждения аустенита его устойчивость уменьшается, достигает минимума при 550 °С, затем вновь увеличивается.

Продуктами диффузионного распада аустенита в области температуры от A₁ до 550 °С является ферритоцементитная смесь пластинчатого строения (перлит, сорбит, троостит). От температуры 550 °С до М_н образуется ферритоцементитная смесь игольчатого строения бейнит (игольчатый троостит). При переохлаждении аустенита ниже точки М_н происходит его бездиффузионное превращение в структуру закаленной стали мартенсит. Таким образом, в зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области превращения: перлитную, бейнитную (промежуточную) и мартенситную (см. рис. 2.1).

Практическое значение диаграммы состоит в том, что она позволяет установить, с какой скоростью, в каком охладителе нужно охладить данную сталь, чтобы получить структуру с заданными свойствами.

а б

Рис. 2.1. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной
стали (а) и схема построения такой диаграммы (б)