7.1 Превращения при нагреве сталей

Во многих случаях при термообработке сталь нагревают до аустенитного состояния. Образование аустенита является диффузионным процессом, поскольку происходит существенное перераспределение атомов железа и углерода, и происходит в соответствии с закономерностями фазовых превращений в твердом состоянии.

Превращение ПА происходит при нагреве выше А_С1 (Ф_Р + ЦА_S ). В настоящее время считают, что превращение происходит в 2 этапа:

1 – полиморфное превращение , при этом образуется неравновесный низкоуглеродистый аустенит;

2 – насыщение аустенита углеродом до равновесной концентрации за счет растворения цементита.

Образование аустенита происходит быстрее, чем растворение цементита, поэтому для полного растворения цементита при ПА необходима выдержка. Еще большее время требуется для гомогенизации аустенита («выравнивания» содержания углерода). На этом фазовые превращения при нагреве в эвтектоидной стали завершаются, а в доэвтектоидных сталях в интервале А_С1 - А_С3 происходит растворение избыточного феррита, в заэвтектоидных сталях в интервале А_С1 - А_Сcm – избыточного цементита.

На рис. 7.1 представлены этапы образования аустенита из перлита.

Рисунок 7.1 – Схема образования аустенита из перлита

Процессы фазовых превращений резко ускоряются при повышении температуры превращения (при увеличении скорости нагрева - за одно и то же время нагревают до более высоких температур).Скорость превращения ПА зависит так же от исходного состояния перлита: чем тоньше пластины феррита и цементита, тем быстрее протекает аустенитизация. Предварительная сфероидизация цементита замедляет процесс аустенитизации.

Окончание фазовых превращений не обозначает, что закончились изменения в структуре. Дело в том, что кристаллы аустенита зарождаются на поверхности раздела пластин цементита и феррита, которая в перлитной колонии очень развита, поэтому в пределах одной перлитной колонии образуется много аустенитных зерен. Вследствие этого в первый момент после окончания фазовых превращений зерно аустенита получается очень мелким.

Зерно аустенита, полученное в первый момент после окончания превращения ПА, называется начальным зерном аустенита. При повышении температуры и увеличении длительности выдержки происходит рост зерна аустенита. Это объясняется стремлением системы к минимуму свободной энергии, которая тем меньше, чем меньше протяженность границ. Склонность к росту зерна аустенита у сталей разных марок или даже разных плавок одной и той же марки может быть различной. Она определяется способом раскисления и химическим составом.

Выделяют два варианта роста зерна аустенита в сталях при нагреве (рис. 7.2). В первом случае чем выше температура нагрева, тем больше оказывается размер зерна аустенита. Такие стали называют наследственно крупнозернистыми или склонными к перегреву. Во втором случае зерно слабо растет при нагреве до температур 950 – 1000°С, а иногда и выше, а затем начинается бурный рост зерна.

Для оценки склонности зерна аустенита к росту производят нагрев стальных образцов до такой температуры, при которой в наследственно крупнозернистой стали зерно получается больших размеров, а в наследственно мелкозернистой еще сохраняется мелким (93010°С согласно ГОСТу 5639-65) и выдерживают при этой температуре в течении 3 часов. Зерно, полученное в этих стандартных условиях, называет наследственным (природным) зерном аустенита. Величина наследственного зерна характеризует склонность аустенитного зерна данной стали к росту.

Стали, раскисленные только ферромарганцем (кипящие), являются наследственно крупнозернистыми, а спокойные стали, раскисленные достаточным количеством алюминия, - наследственно мелкозернистыми.

Легирующие элементы в большинстве случаев задерживают рост зерна аустенита. Наиболее сильно препятствуют росту зерна титан, цирконий, ванадий, алюминий. Эти элементы образуют труднорастворимые карбиды и нитриды, тормозящие перемещение межфазных границ. Некоторые элементы, например марганец, усиливают склонность аустенитного зерна к росту.

Склонность зерна аустенита к росту учитывают при разработке режима термической обработки, а также ковки, сварки и других видов обработки, связанных с нагревом металла.

Действительным зерном аустенита называют зерно, которое получено в данных конкретных условиях нагрева. Размер действительного зерна определяется конечной температурой нагрева изделия или образца, длительностью выдержки и наследственной зернистостью стали.

Действительным (фактическим) зерном стали называется зерно, полученное после охлаждения до комнатной температуры. Его размер связан с размером действительного зерна аустенита: чем мельче зерно аустенита, тем меньшего размера образуются из него зерна феррита и перлита (рис. 7.3).

А₁

Рисунок 7.3 - Схема изменения размера зерна перлита в зависимости от температуры нагрева в аустенитной области

Действительное зерно стали оказывает большое влияние на ее свойства:сталь с мелкозернистой структурой имеет более высокие механические свойства, особенно пластичность и ударную вязкость, по сравнению с крупнозернистой. Поэтому в большинстве случаев при термической обработке стремятся получить мелкое действительное зерно аустенита. Интервал температур нагрева наследственно крупнозернистых сталей под термическую обработку узок, а наследственно мелкозернистые стали допускают нагрев в более широком температурном интервале, что удобнее в производственных условиях, Стали, легированные титаном, цирконием и другими элементами, сильно тормозящими рост зерна аустенита, можно подвергать, например, закалке с использованием нагрева под цементацию (930 – 950°С), что позволяет снизить энергоемкость при термической обработке.

Наряду с этим в ряде случаев специально получают крупное зерно, например, в трансформаторной стали для уменьшения коэрцитивной силы и потерь при перемагничивании. Сталь с крупным зер­ном лучше обрабатывается резанием, имеет более глубокую прокаливаемость.