4.2 Измельчение и рост аустенитного зерна при нагреве

В тот момент, когда полностью завершится переход перлита в аустенит при нагреве выше точки А₁, зерно аустенита получается мелким. Такое зерно называется начальным. Причина сильного измельчения зерна заключается в том, что при переходе перлита в аустенит возникает большое количество центров перекристаллизации. Известно, что зародыши новой фазы легче всего возникают в участках с неравновесным состоянием атомов, чаще всего на границах зерен, дислокациях и других дефектных местах в структуре.

В перлитной структуре кроме границ зерен между отдельными колониями перлита имеет место межфазовая граница феррит-цементит внутри зерен перлита. Эти границы имеют тем большую протяженность, чем мельче феррито-цементитная смесь. Центры аустенитных кристаллов образуются и на межзеренных границах, и внутри зерен на границах феррит-цементит (рис. 4.1), поэтому центров получается во много раз больше, чем при обратной перекристаллизации аустенита в перлит. Таким образом, при перлито-аустенитном превращении происходит сильное измельчение зерна. На этом явлении основываются все виды термообработки, предназначенные для измельчения зерна в стальных изделиях. Размер зерна аустенита оказывает большое влияние как на механические, так и технологические свойства стали.

Рис. 4.1 Стальная часть диаграммы Fe-Fe₃C

Рис. 4.2 Схема перекристаллизации перлита в аустенит (для природно-крупнозернистой стали)

Особенно сильно величина зерна сказывается на динамических характеристиках, в частности, с увеличением размера зерна сталь теряет вязкость. Поэтому величина зерна аустенита – очень важная характеристика.

Значительное превышение температуры относительно критической при нагреве, и, в меньшей степени, увеличение времени выдержки, приводит к росту аустенитного зерна. Этот процесс носит самопроизвольный характер и вызван стремлением системы к уменьшению свободной энергии за счет сокращения поверхности зерен.

Стали разного химического состава имеют различную склонность к росту аустенитного зерна при нагреве. Если в структуре стали есть устойчивые частицы, препятствующие росту зерна при нагреве, такие стали называются природно- или наследственно-мелкозернистыми. В отличие от них обычные стали, у которых зерно начинает расти при перегреве сразу, называется наследственно- (природно-) – крупнозернитстыми. На рис. 4.3 показана зависимость размера зерна аустенита от температуры для наследственно-мелкозернистых и наследственно-крупнозернистых сталей.

Рис. 4.3 Схема изменения размера зерна при нагреве природно-крупно и мелкозернистой сталей (с 0,8% С)

Для получения наследственной мелкозернистсти в сталь при раскислении добавляют алюминий, который образует оксиды и нитриды, очень устойчивые при нагреве.

Легированние стали сильными карбидообразующими элементами (Ti, Сr, V, Mo, W) также приводит к наследственной мелкозернистости. Самая высокая температура, до которой карбиды не растворяются, составляет 1050-1100⁰С. При более высоких температурах, когда частицы, сдерживавшие рост зерен, растворяются, у наследственно мелкозернистых сталей начинается укрупнение структуры. За наследственное зерно аустенита условно принимается размер, который получается после выдержки при температуре 930⁰С, 3 часа.

Свойства изделий зависят от действительного, а не наследственного зерна аустенита. Но стали с мелким наследственным зерном более технологичны, т.к. допускают при горячей обработке (обработка давлением, термообработка) нагрев до более высоких температур, что более технологично и производительно.

Величину зерна определяют баллами. Между номером зерна (баллом) «N» и количеством зерен «n», помещающихся на 1 мм² шлифа, существует следующая зависимость n = 2^N+3. Стали с зерном N 1-5 относят к группе крупнозернистых, а с зерном 6-15 к мелкозернистым.