Мартенситное превращение аустенита. Критическая скорость закалки
Быстрое охлаждение стали, нагретой до высоких температур предотвращает течение диффузионных процессов распада аустенита. Однако аустенит не переохлаждается до комнатной температуры —в процессе охлаждения он превращается в мартенсит. Твердый раствор углерода в у - железе превращается в пересыщенный твердый раствор углерода в а - железе, существующий только в метастабильном состоянии. Превращение заключается лишь в изменении упаковки атомов без изменения концентрации твердого раствора.
Мартенситное превращение обладает рядом особенностей; Превращение аустенита в мартенсит было первым в котором эти особенности были обнаружены. В дальнейшем оказалось, что превращения с такими характерными чертами имеют место во многих металлах и сплавах и являются одним из главных видов превращений в области температур, в которой процессы диффузии и самодиффузии протекают медленно. В настоящее время все превращения этого типа называют мартенситными. Известен ряд особенностей мартенситного превращения. Однако основным его признаком, определяющим и все другие особенности, является своеобразный механизм образования кристаллов новой фазы, а именно кооперативное и закономерное перемещение атомов, протекающее так, что они смещаются один относительно другого на расстояния, не превышающие межатомные; в результате же перестройки атомов получается макроскопический сдвиг. Внешним признаком такого механизма является рельеф на полированной поверхности образующийся в результате превращения. Кооперативность, т. е. взаимосвязанность и упорядоченность атомных перемещений при перестройке, обусловливает возможность превращения при низких температурах, при которых диффузионные перемещения атомов весьма редки. Большой интерес, который с давних пор проявляют металлурги к превращению аустенита в мартенсит, обусловливается, с одной стороны, необычным его характером, с другой стороны, тем, что с ним связана проблема закалки стали. Для понимания природы этого превращения необходимо установить, что именно является причиной и движущей силой превращения, каков его механизм, а также выяснить причины следующих главных особенностей кинетики превращения: а) большая скорость образования отдельных кристаллов мартенсита и отсутствие их последующего роста; б) быстрое затухание процесса возникновения новых кристаллов мартенсита при остановке охлаждения и распространение превращения на некоторую область температур. Кроме того, требуют объяснения и такие явления как аномальное влияние скорости охлаждения на протекание превращения аустенита в мартенсит; протекание превращения в процессе пластической деформации; стабилизация аустенита.
Критическая скорость закалки у различных сталей не одинакова и колеблется в очень больших пределах (в зависимости от химического состава стали). Имеются специальные стали, у которых критическая скорость закалки составляет 2 - 3° в секунду, а у некоторых сталей она достигает 1200° в секунду. Чем ниже критическая скорость закалки, тем легче закалить сталь. У всех углеродистых сталей критическая скорость закалки очень велика. Влияние углерода на критическую скорость закалки стали показано на рис. 62. Как видно из приведенной диаграммы, наименьшую критическую скорость закалки имеет сталь, содержащая 0,8% углерода. Но и у этой стали критическая скорость очень велика - около 160° в секунду.
На критическую скорость закалки оказывают влияние и другие элементы, содержащиеся в стали, что будет рассмотрено в дальнейшем. Критическая скорость закалки - важная характеристика, без которой нельзя установить правильный режим закалки стали. Скорость охлаждения. Чтобы установить скорость охлаждения при закалке, кроме критической скорости закалки надо учитывать также форму и размеры закаливаемого изделия. Изделия, изготовленные из стали одного и того же состава и имеющие, следовательно, одинаковую критическую скорость закалки, будут охлаждаться с различной скоростью, если они отличаются друг от друга размерами и формой. Влияние размеров и формы изделия на скорость охлаждения при закалке весьма наглядно иллюстрируется следующим примером.
Изготовим из одной и той же стали пластинку размерами 50 х 50 мм и толщиной 1 мм и шарик диаметром 10 мм. Если их охлаждать в одинаковой среде, то можно легко убедиться, что пластинка охлаждается значительно быстрее, чем шарик. Между тем пластинка весит около 20 г, а шарик всего около 5 г. Из этого примера видно, что скорость охлаждения сильно зависит от величины поверхности изделия. Чем меньше толщина изделия и чем больше отношение охлаждаемой поверхности к объему изделия, тем быстрее происходит охлаждение. Значения твердости образцов различных сечений, изготовленных из стали 45 и подвергнутых закалке в воде.
Данные приведенной таблицы показывают, что образцы, изготовленные из одной и той же стали и подвергнутые закалке в одинаковой среде, получили различные свойства и структуру. Это объясняется тем, что они имели различное сечение, и поэтому их охлаждение протекало с неодинаковой скоростью. Фактическая скорость охлаждения при закалке обычно характеризуется какой-то средней величиной. В действительности, охлаждение изделий при закалке в различных интервалах температур происходит с неодинаковой скоростью. В первый период охлаждения, когда разность температур нагретого изделия и охлаждающей среды очень велика (850 и 20°), изделие охлаждается значительно быстрее, чем в конце процесса, когда эта разность уже значительно меньше.