Превращения в сталях протекающие при нагреве

Многие технологические операции на сталях, и прежде всего термообработка и сварка, связаны с нагревом металла до высоких температур, приводящих к изменению фазового состояния. Основной образующейся при нагреве фазой является аустенит. Однако и состав стали, и условия нагрева существенно влияют на состояние аустекита — его гомогенность, размер зерна и т. п., которые в свою очередь, оказывают влияние на последующие фазовые и структурные изменения при охлаждении и соответственно на свойства сталей.

Образование аустенита происходит в две стадии. На первой ста­дии реализуется сдвиговой механизм α→ γ-перестройки кристал­лической решетки при температуре 910°С. При этом возникают области метастабильного аустенита с пониженной концентрацией углерода по сравнению с той, которая следует из диаграммы состояния при данной тем­пературе. На второй стадии превращения растворяются карбиды, и аустенит обогащается углеродом в результате процесса диффу­зии, приобретая устойчивость к росту при температуре, превыша­ющей температуру критической точки Ас_г.

Участками преимущественного образования аустенита наряду с поверхностями раздела ферритно-карбидной фаз являются также границы ферритных зерен и субзерен, границы перлитных ко­лоний, При этом имеет значение влияние устойчивых сегрегаций атомов углерода как горофильного элемента, хотя при этом сле­дует иметь в виду, что при температуре нагрева выше 500°С эффект сегрегации значительно уменьшается.

Кроме поверхностей раздела фаз существенную роль играют области структур с повышенным уровнем свободной энергии — скопления дислокаций, участки локального искажения кристал­лической решетки в результате внедрения атомов.

С повышением температуры превращения при высоких ско­ростях нагрева (при перенагреве) свободная энергия системы возрастает настолько, что число центров зарождения увеличивается за счет их образования в областях структуры с меньшей плотностью дислокаций. Свободная энергия, существую­щая вокруг этих зон, исчезая при превращении, передается зароды­шу новой фазы, понижая энергию его образования. При быстром нагреве стали аустенит образуется в первую очередь вокруг деформиро­ванных участков α-фазы, термодинамический потенциал которых выше, чем у недеформированной а-фазы, из-за наличия большого количества дефектов кристаллического строения и низкой устой­чивости с термодинамической точки зрения. В то же время при медленном нагреве в результате ис­чезновения искажений решетки в образцах с различной исходной структурой образуется примерно одинаковое количество аусте­нита, так как при этом участками зарождения у-фазы становятся поверхности раздела фаз.

Скорость нагрева зависит от ряда факторов: толщины металла, подвергающегося сварке (с увеличением толщины свариваемого металла, при прочих равных условиях, скорость на-грева уменьшается за счет увеличения теплоотвода в холодный металл); величины сварочного тока при сохранении скорости сварки (с увеличением сварочного тока скорость нагрева увеличивается); температуры металла свариваемого изделия (подогрев перед сваркой или во время сварки); числа слоев при сварке.

От тех же факторов будет зависеть продолжительность пребывания металла околошовной зоны при температуре аустенитного состояния. Эта продолжительность будет уменьшаться с увеличением толщины свариваемого металла, увеличиваться с увеличением погонной энергии сварки, повышением температуры металла свариваемого изделия и увеличением числа слоев. Помимо условий нагрева и состава стали на степень гомогенности образующегося аустенита влияет и исходное, до нагрева, структурное состояние стали.

Легирующие элементы резко снижают интенсивность образо­вания у-фазы и существенно повышают энергию активации диф­фузии углерода в аустените. Граница раздела а- и у-фаз движется со скоростью, пропорциональной изменению свободной энергии системы. Легирующие элементы уменьшают скорость роста зерна аустенита.