Превращение перлита в аустенит
Образование аустенита из перлита в полном соответствии с диаграммой фазового равновесия, т.е. при постоянной критической температуре Аc1(рис. 5.6), может происходить только при очень медленном нагреве. В обычных условиях нагрева (со скоростями порядка десятков, сотен и даже тысяч градусов в минуту) превращение перлита в аустенит «запаздывает», и получается перенагрев, т.е. превращение происходит в интервале температур, более высоких, чем указано на диаграмме железо – цементит. При этом наблюдается закономерность – чем выше скорость нагрева, тем выше перенагрев. Степень перенагрева влияет ещё на два параметра процесса – время от начала до конца превращенияи ширину температурного интервала превращения. Связь между перечисленными параметрами показывают так называемые диаграммы изотермического образования аустенита при различных степенях перенагрева выше Аc1. Принцип построения и законченный вид такой диаграммы представлен на рис. 5.8.
Как следует из диаграммы изотермического образования аустенита, процесс превращения перлита в аустенит резко ускоряется при повышении температуры Время, необходимое для образования аустенита при температурах, близких к Аc1 (727ОС), составляет минуты, тогда как при 800 … 850ОС превращение происходит за 5 … 10 с.
а) б) в)
Рисунок 5.8− Иллюстрация процесса экспериментального построения диаграммы изотермического превращения перлита в аустенит (а), вид законченной диаграммы (б) и демонстрация влияния скорости непрерывного нагрева на степень перенагрева и ускорение (сокращение времени) превращения(в)(“н” – начало превращения, “к” – конец превращения; заштрихованная область на диаграмме – окончание растворения цементита в аустените и завершение гомогенизации аустенита).
Превращение перлита в аустенит
Feα(C) + Fe3C → Feγ(C)
0,02%С 6,67%С 0,8%С
состоит из двух одновременно протекающих процессов: полиморфного α → γ перехода феррита в аустенит и растворения цементита в аустените.
а) б) в) г)
Рисунок 5.9– Схема последовательности этапов превращения перлита в аустенит:а – образование зародышей аустенита в исходной структуре пластинчатого перлита, б, в –разрастание зародышей аустенита в зёрна, г – окончание полиморфного превращения α→γ, растворение цементита в аустените иобразование гомогенной структуры аустенита
Механизм процесса превращения перлита в аустенит состоит в зарождении зёрен аустенита и их роста. Зародыш аустенита возникает на межфазной границе феррита и цементита (рис. 5.9). Образовавшиеся зародыши при своём росте обогащаются углеродом до 0,8%С, что приводит к растворению цементита. Одновременно с ростом ранее образовавшихся зёрен зарождаются новые зёрна аустенита.
Рост участков аустенита в результате полиморфного α → γ превращения протекает быстрее, чем диффузионное растворение цементита. Поэтому после превращения феррита в аустенит в структуре стали сохраняется ещё некоторое количество цементита. Даже после его полного растворения образовавшийся аустенит неоднороден по содержанию углерода. В участках, прилегающих к частицам цементита, концентрация углерода в аустените выше, чем в участках, прилегающих к ферриту. Для его гомогенизации требуется дополнительное время.
В доэвтектоидной стали (с концентрацией углерода меньше 0,8 мас.%) при нагреве выше критической точки Аc1 после превращения перлита в аустенит образуется двухфазная структура – аустенит и феррит. При дальнейшем нагреве в интервале температур Аc1−Аc3 феррит постепенно превращается в аустенит. Содержание углерода в аустените при этом уменьшается в соответствии с линией GS (см. рис.5.6). При температуре Аc3 феррит исчезает, а концентрация углерода в аустените соответствует содержанию его в стали. Аналогично протекает превращение и в заэвтектоидной стали: после превращения перлита в аустенит образуется двухфазная структура – аустенит и цементит. Последний в интервале температур Аc1 − Аcm растворяется в аустените. Содержание углерода в аустените при этом увеличивается в соответствии с линией SE (см. рис.5.6). При температуре Аcm цементит исчезает, а концентрация углерода в аустените соответствует содержанию его в стали.
Измельчение зерна. В пластинчатом перлите велика площадь межфазных границ феррита и цементита, приходящаяся на единицу объёма перлитной колонии. В связи с этим высока скорость образования зародышей аустенита по сравнению со скоростью их роста.В пределах одной перлитной колонии образуется множество мелких аустенитных зёрен. Описанное явление лежит в основе измельчения зерна при термообработке доэвтектоидной стали с первоначальной неравновесной структурой (крупнозернистость, видманштеттовый феррит и др.).
Как известно, чем мельче зерно, тем выше прочность (σв, σ0,2, σ-1) при сохранении приемлемой пластичности (δ, ψ) и ударная вязкость (KCU, KCT), ниже порог хладноломкости (t50) и меньше склонность к хрупкому разрушению.
Рост зерна аустенита. При повышении температуры превращения или увеличении длительности выдержки при температуре превращения образовавшийся мелкозернистый аустенит претерпевает укрупнение зерна. Более крупные зёрна начинают «поглощать» относительно мелкие, разрастаясь за счёт последних в процессе собирательной рекристаллизации. Такое явление принято называть перегревом стали, результат перегрева считается браком операций термической обработки. В перегретой доэвтектоидной стали нередко наблюдается видманштеттова структура феррита, перегретая сталь характеризуется хрупким изломом.
5.3.2 Превращение аустенита в перлит (распад аустенита)
Сущность этого превращения можно выразить схемой
Feγ(C)→Feα(C)+Fe3C.
0,8%С 0,02%С 6,67%С .
При превращении аустенита при охлаждении происходят два процесса:
■ полиморфная γ → α(ГЦК → ОЦК) перегруппировка атомов железа и
■ выделение углерода из аустенита и образование кристаллов цементита.
В результате из аустенита формируется двухфазная феррито-цементитная (или феррито-карбидная) структура, получившая название перлит. Очень часто кристаллы феррита и цементита имеют форму чередующихся и примыкающих друг к другу пластин. В этом случае структуру называю пластинчатым перлитом, а многослойный агрегат чередующихся пластин феррита и цементита –перлитным зерном [2],или перлитной колонией (что правильней).
Переохлаждение. Превращение начинается не точно при температуре Аr1, а при некотором переохлаждении, когда свободная энергия феррито-карбидной смеси (перлита) окажется меньше, чем свободная энергия аустенита: FП<FA(рис. 5.7). Чем выше степень переохлаждения и, соответственно, ниже температура превращения, тем больше разность свободных энергий, тем быстрее должно происходит превращение. Однако образование перлита связано с диффузией углерода и самодиффузией атомов железа, и поэтому как диффузионный процесс оно должно претерпевать замедление при низких температурах.
Кинетика превращения.Быстрота, или скорость превращения определяется массой новой фазы, образующейся в сплаве в единицу времени. Скорость превращения даже при постоянной температуре превращения не является величиной постоянной, на начальных этапах процесса она возрастает от нуля до максимального значения и постепенно убывает к окончанию превращения. Процесс накопления новой фазы в процессе превращения описывается так называемой кинетической кривой– графиком изменения относительной доли новой фазы, или степени превращения, от времени (рис. 5.10). Скорость превращения представляет производную от степени превращения по времени.
τи τпревр
| Степень превращения, % |
100 b Рисунок 5.10– Кинетическая кривая
превращения аустенита в перлит:
75 точка a – начало превращения,
точка b – окончание превращения,
50 τи– инкубационный период, харак-
теризующийустойчивость пере-
охлаждённогоаустенита,
25 τпревр – полное время превращения.
a
Время τ, с
Степень переохлаждения аустенита влияет как на величину инкубационного периода τи , так и на общее время протекания превращенияτпревр. При очень малых и очень значительных переохлаждениях τи и τпревр велики, а скорость превращения очень незначительна. При малых переохлаждениях – из-за небольшой разности свободных энергий аустенита и перлита, а при больших – из-за низкой диффузионной подвижности атомов.При переохлаждениях на 150…200ОС ниже Аr1, когда разность свободных энергий уже существенна, а диффузионные процессы ещё не подавлены, наблюдается минимум устойчивости аустенита и высокая скорость его превращения в перлит.
Диаграммы изотермического распада переохлаждённого аустенита.
Связь между степенью переохлаждения и кинетическими параметрами превращения показывают так называемые диаграммы изотермического распада переохлаждённого аустенита, которые строятся по кинетическим кривым для различных степеней переохлаждения (рис. 5.11,а). Пример такой диаграммы представлен на рис. 5.11,б. Кривые на диаграмме изотермического распада имеют вид буквы “С”, поэтому их часто называют С-кривыми.
Кривая 1 на рис. 5.11,б показывает зависимость продолжительности инкубационного периода τи , или времени до начала изотермического распада аустенита, от температуры превращения. Кривая 2 показывает время окончания распада аустенита. Интервал между кривыми 1 и 2 характеризует продолжительность превращения аустенита τпревр. Шкалу времени для удобства построения делают логарифмической, так как время распада может колебаться в широких пределах от долей секунды до десятков минут и даже часов.
Рисунок 5.11 – Кинетические кривые распада аустенита при температурах Т1, Т2 и Т3 в эвтектоидной стали (0,8% С) (а) и построенная по ним диаграмма изотермического распада переохлаждённого аустенита (б);
буквами Н и К на кинетических кривых обозначены начало и окончание превращения в аустенита в феррито-карбидную смесь
Линии 1 и 2делят поле диаграммы на ряд фазовых областей: левее линии 1 – область неустойчивого аустенита, правее линии 2 – область продуктов его распада, между линиями 1 и 2 существую аустенит и продукты распада (γ+α+Ц).
Нижняя часть диаграммы между горизоталями Мн и Мксоответствует бездиффузионному превращению аустенита в мартенсит по сдвиговому механизму, которое будет рассмотрено в следующем разделе.
Механизм превращения аустенита в перлит.
Образование перлита в эвтектоидной стали происходит в интервале температур 727 … 550 ОС. В этом температурном интервале процессы диффузии углерода ещё достаточной интенсивны. Процесс образования перлита начинается с образования центров кристаллизации цементита. Его зародыши, как правило, возникают на границах зёрен аустенита (рис. 5.12,а). Примыкающие к кристаллику цементита объёмы аустенита обедняются углеродом, аустенит теряет свою устойчивость и испытывает полиморфное γ → α превращение. Образующиеся около (по бокам, с двух сторон) цементитного кристалла кристаллы α-феррита (рис. 5.12,б) способны растворить в себе не более 0,02 мас.% углерода. Оказавшиеся лишними атомы углерода вытесняются в аустенит, чем, в свою очередь,облегчают появление новых кристаллов цементита. Далее описанноеявление взаимного облегчения образования центров кристаллизации цементита и α-феррита, многократно повторяясь,приводит к образованию и разрастанию вширь цепочки чередующихся кристаллов цементита и α-феррита (рис. 5.12,в). Из этой цепочки начинается совместный (колониальный) рост кристаллов цементита и α-феррита в длинув направлении, поперечном по отношению к цепочке (фронтальном). В результате образуетсяперлитная колония(рис. 5.12,г, д). Рост перлитной колонии вширь и в длину ограничивается столкновением растущих пластинок с перлитными колониями, растущими из других центров.Скорость роста перлитных колоний, лимитируемая диффузионными процессами, довольно высока вследствие краткости путей диффузионного перераспределения углерода перед фронтом растущих пластин цементита и феррита (рис. 5.12,е).
Рисунок 5.12–Схема возникновения и роста перлитных колоний в эвтектоидной
стали (а - д) и короткие пути диффузионного перераспределения углерода
в аустените перед фронтом растущих пластин феррита и цементита
в перлитной колонии (е)
Дисперсность пластинчатой феррито-цементитной смеси.
Толщина пластинок цементита и феррита в перлитной колонии зависит от степени переохлаждения аустенита: чем ниже температура превращения, тем они тоньше (дисперснее). Дисперсность пластинчатой структуры оценивается межпластинчатым расстоянием Δ0, равным суммарной, или усреднённой, толщине двух пластинок α-феррита и цементита. Уменьшение Δ0 трактуется как
Таблица 5.2 – Характеристики дисперсности феррито-цементитной смеси
пластинчатого типа [2].
| Наименование характеристики феррито-цементитной смеси | Наименование структуры | ||
| перлит | сорбит | троостит | |
| Межпластинчатое расстояние Δ0, мкм | 0,6 … 1,0 | 0,25 … 0,30 | 0,10 … 0,15 |
| Твердость по Бринеллю, МПа∙10-1 | 180 … 250 | 250 … 350 | 350 … 450 |
увеличение степени дисперсности. По мере её увеличения пластинчатые продукты распада переохлаждённого аустенита получили разные названия: собственно перлит, затем сорбит и троостит(табл. 5.2). Увеличение степени дисперсности повышает прочностные характеристики стали с пластинчатой структурой феррито-цементитной смеси.
Изотермическое превращение аустенита в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях.
В указанных сталях до начала перлитного превращения в верхнем интервале температур сначала выделяются избыточные фазы – феррит (в доэвтектоидной стали) или избыточный цементит (в заэвтектоидной стали). Начало выделения избыточного феррита (цементита) на диаграмме изотермического распада (рис. 5.13, а) отмечается дополнительной кривой, обозначенной «А → Ф», а выделение цементита – кривой «А → К» на диаграмме (рис. 5.13,б). Количество выделяющегося избыточного феррита (или цементита) уменьшается с понижением температуры изотермического распада (рис. 5.13, а), и при некоторой степени переохлаждения распад начинается непосредственно с образования перлитных колоний.
Превращение аустенита при непрерывном охлаждении.
Так как диаграмма изотермического превращения аустенита строится в координатах «температура – время», то на эту диаграмму можно наложить линии (траектории) скоростей охлаждения v1, v2и т.д. (рис. 5.13,б).
Как видно из этого рисунка, кривые скоростей охлаждения пересекают кривые начала и окончания превращения аустенита в перлит при различных температурах. Отсюда можно сделать вывод, что и при непрерывном охлаждении с различными скоростями можно получить продукты превращения типа перлита, сорбита или троостита.
В серии кривых скоростей охлаждения на рис. 5.13,б можно выделить кривую, соответствующую скорости vк. При охлаждении с этой и более высокими скоростями подавляется распад аустенита на феррито-цементитную смесь. Однако это не означает, что открывается возможность сохранить аустенит при комнатной температуре, или совершить истинную закалку (см. разд. 5.1).Аустенит всё равно претерпит превращение, но не в феррито-цементитную смесь, а в мартенсит.
а) б)
Рисунок 5.13 – Диаграммы изотермического распада переохлаждённого
аустенита для двух углеродистых сталей: доэвтектоидной стали 50 (а)
и заэвтектоидной стали У16 (б) [8]. На диаграмму, представленную на схеме (б), нанесены кривые непрерывного уменьшения температуры (траектории непрерывного охлаждения) с различными скоростями.