Связь между диаграммами фазового равновесия

И возможностью термической обработкисплавов

Почти во всех видах термической обработки сплавов изменение их структуры и свойств достигается за счёт фазовых превращений в твёрдом состоянии. Необходимую информацию о том, какие фазовые превращения возможны в конкретной системе сплавов и в каких температурных интервалах они проходят, даёт диаграмма фазового равновесия.

К числу структурных изменений в твёрдом состоянии, которые делают возможными отжиг второго рода, закалку и отпуск (старение), относятся полиморфные (аллотропические) превращения и/или существенные изменения растворимости при нагреве. Данное утверждение иллюстрируется диаграммами фазового равновесия на рис. 4.2.

Так, для всех сплавов на рис. 4.2,ас концентрацией компонента В, не превышающей значения, соответствующего точке D, в том числе и для сплава 1, возможна истинная закалка с последующим старением, а для сплавов, находящихся на шкале концентраций правее точки К, в том числе и для сплава 2, закалка с получением пересыщенного раствора невозможна.

а) б)

Рисунок 4.2− Диаграммы фазового равновесия для сплавов, в которых возмож-

наистинная закалка с получением пересыщенного твердого рас-

твора α (а) и закалка с полиморфным превращением γ→α(б).

На рис. 4.2,б изображен фрагмент ДФР для сплавов, в которых компонент А претерпевает полиморфное превращение.В диапазоне концентраций компонента Вв сплаве до значения, соответствующего точке D, при достаточно медленном охлаждении из однофазной области твёрдого раствора γ имеет место эвтектоидное превращение. В результате его образуется равновесная структурная составляющая – эвтектоид α + β. Быстрым охлаждением указанное равновесное превращение может быть подавлено, и вместо него произойдёт процесс образования некоей метастабильной фазы с образованием соответствующей нестабильной структуры, отличающейся от исходного высокотемпературного состояния.

Выбор температуры гомогенизирующего отжига

Углеродистой стали

Поскольку физическим процессом, устраняющим дендритную ликвацию при гомогенизирующем отжиге в готовом изделии (отливке), является диффузия, следует проводить отжиг при как можно более высокой температуре. Чем выше температура, тем больше коэффициент диффузии, определяющий её скорость и сокращающий тем самым продолжительность отжига. Верхней температурной границей гомогенизирующего отжига в общем случае может быть принята температура начала плавления стали. В металловедении она называется солидусоми зависит от химического состава стали конкретной марки. Для углеродистых сталей информацию о зависимости солидуса от концентрации углерода несёт диаграмма железо – цементит, конкретнее её «стальной угол». Указанный фрагмент диаграммы изображён на рисунке … в разделе 5.3. Солидус углеродистых сталей характеризуетсячастью AHIEобщей линии солидусAHIECF.Однако для низкоуглеродистых сталей, содержащих менее0,2 мас. % углерода, верхней температурной границей гомогенизирующего отжига служит линия NI. Превышение этой температуры (в теории термообработки она называется критической точкой А₄) приведёт к началу перекристаллизации аустенита γ в δ-феррит с неизбежным возникновением новой ликвации по зерну δ-феррита.

Выбор температуры отжига второго рода

Углеродистой стали

Изображения дефектных микроструктур стали, требующих исправления отжигом второго рода, представлены на рис. 4.3,а-в

а) б) в)

Рисунок 4.3 – Дефектные микроструктуры в сталях:

а) «видманштеттова структура» пластинчатого феррита в доэвтектоидных сталях,б) крупнозернистая феррито-перлитная структура в доэвтектоидных сталях,в) сеткой вторичного цементита по границам бывшего аустенитного зерна в заэвтектоидных сталях.

Изображения микроструктур сталей, получаемых после исправляющего отжига второго рода, представлены на рис. 4.4,а-б.

Главными фазовыми превращениями в доэвтектоидной стали, протекание которых закладывает основы исправления дефектных структур, являются превращение перлита в аустенит выше критической температуры А_с1 (см. разд. 5.3) и полное превращение структурно-свободного феррита в аустенит в интервале температур А_с1 … А_с3. Другими словами, нагрев феррито-перлитной структуры должен обеспечивать полный её переход в однофазное аустенитное состояние.

Это возможно, если температура отжига Т_отж будет превышать температуру А_с3. Отмеченное превышение не должно быть слишком большим, чтобы исключить рост зерна аустенита, и не слишком малым, чтобы исключить недогрев из-за погрешностей приборов для измерения температуры. Обычно полный отжиг второго рода доэвтектоидной стали проводят в интервале температур

Т_отж =А_с3 +(30…50) ^ОС.

а) б)

Рисунок 4.4 – Микроструктуры в сталях,исправленные отжигом второго рода:

а) мелкозернистая равноосная феррито-перлитная структура доэвтектоидной стали после полного отжига стали с крупным зерном или «видманштеттовым ферритом » , б) структура зернистого перлита после неполного

(сфероидизирующего) отжига заэвтектоидной стали

Полному отжигу иногда подвергают и заэвтектоидные стали со структурой перлита и вторичного цементита. В этом случае интервал температур полного отжига заэвтектоидной стали можно отобразить следующим образом:

Т_отж =А_сm +(30…50) ^ОС.

Поскольку критические температуры А_с3 и А_сm зависят от концентрации углерода в стали, для наглядности интервал рекомендуемых температур отжига второго рода для сталей изображают «на фоне» диаграммы фазового равновесия железо – цементит (см. рис. 4.5).

а) б)

Рисунок 4.5 – Изображение интервала температур отжига второго рода на «стальном» участке диаграммы железо - цементит

Среди причин устранения дефектов микроструктуры при полном отжиге второго рода можно назвать следующие:

- превращение перлита в аустенит выше А_с1характеризуется образованием в объёме, занимаемом одной перлитной колонией, большого количества мелких зёрен аустенита; это, в свою очередь, при образовании перлита в ходе охлаждения от температуры отжига приведёт к образованию в пределах одного аустенитного зерна нескольких перлитных колоний; так происходит устранение крупнозернистости как в доэвтектоидных (рис. 4.3,а-б), так и в заэвтектоидных сталях;

- полный перевод феррито-перлитной структуры в доэвтектоидных сталях выше А_с3в аустенит приводит к полному растворению пластин видманштеттова феррита (рис. 4.3,а); при охлаждении от температуры отжига образующиеся кристаллы феррита становятся равноосными; так устраняется структура «видманштеттова феррита» (также рис. 4.3,а).

Более детально с механизмами и кинетикой аустенитного и перлитного превращений можно ознакомиться, обратившись к разделам 5.3.1 и 5.3.2 данного руководства.

Следует отметить, что третий из проиллюстрированных дефектов микроструктуры– сетка (являющаяся в трехмерном представлении плёнкой) вторичного цементита в заэвтектоидных сталях(рис. 4.3,в) – полным отжигом не устраняется. Растворяющийся выше А_сm вторичный цементит при охлаждении вновь выделяется по границам аустенитного зерна в виде сетки (плёнки).Предотвратить образование сетки можно, если охлаждать аустенит от температуры выше А_сm не с печью, а на спокойном воздухе или в воздушной струе, т.е. с большей скоростью. Эта разновидность полного отжига называется нормализацией (см. далее).

Для заэвтектоидных сталей чаще всего проводятнеполный отжиг второго рода. «Неполнота» заключается в нагреве заэвтектоидной стали несколько выше А_с1, или, как говорят, в межкритический интервал А_с1… А_сm(рис. 4.5,б). При этом превращение перлита в аустенит (суть этого превращения см. в разд. 5.3.1) протекает почти полностью, но в аустените сохраняются микрообъёмы с повышенной концентрацией углерода на месте бывших цементитных пластин. Частицы цементита, не растворившиеся полностью, а также обогащенные углеродом микрообъёмы аустенита становятся центрами кристаллизации для цементита при последующем охлаждении. Замечательно то, что образующиеся кристаллы цементита имеют не пластинчатую, а округлую (сфероидальную, зернистую) форму.Получающаяся в ходе эвтектоидного превращение аустенита при переохлаждении ниже А_r1

γ_0,8 → α_0,02 + Fe₃C

микроструктура изображена на рис. 4.4,б и называетсязернистым перлитом, а неполный отжиг заэвтектоидной стали – отжигом на зернистый перлит или сфероидизирующим отжигом.

В заключение следует сказать, что необходимое медленное охлаждение изделия от температуры отжига практически реализуется как охлаждение с печью, когда она выключается. Ориентировочная оценка средней скорости охлаждения в течение примерно суток – 0,5…2,5^ОС/мин.

В практике термической обработки широко применяется разновидность полного отжига, называемая нормализацией. Её отличие от собственно полного отжига заключается в том, что охлаждение изделия от температуры отжига проводится на спокойном воздухе, а не с печью. Ориентировочная оценка средней скорости охлаждения при нормализации – 10…20 ^ОС/мин.