ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ НАГРЕВЕ (ОБРАЗОВАНИЕ АУСТЕНИТА)
В большинстве случаев первый процесс при термической обработке стали — образование аустенита. При медленном нагреве стальных тел достаточного сечения превышение температуры на 30—50° над равновесной критической точкой обычно обеспечивает получение однородной структуры аустенита. В этом случае лимитирующей является допустимая скорость нагрева, обеспечивающая отсутствие поводки и разрушения, процессы фазовых превращений и диффузии успевают пройти при этом в достаточной степени.
Развитие и широкое промышленное распространение скоростных методов нагрева, в особенности индукционного, существенно изменило положение. Возможность индукционного нагрева со скоростями порядка десятков, сотен и тысяч градусов в секунду сделало лимитирующим фактором скорость протекания и время завершения превращений. Не случайно повышенный интерес к превращениям этого вида и появление многочисленных работ начались в середине 30-х годов, т. е. вскоре после того, как В. П. Вологдин и Б. Н. Романов предложили метод индукционного нагрева стальных изделий под закалку.
В настоящей главе рассмотрен механизм и кинетика образования аустенита в равновесных и изотермических условиях, а также в условиях непрерывного нагрева с учетом влияния определяющих факторов: температурно-временного режима, состава и исходных структур стали.
1. ОБРАЗОВАНИЕ АУСТЕНИТА И ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ
Следует напомнить, что превращения в соответствии с диаграммами состояния имеют место только в идеализированных условиях бесконечно медленного нагрева (или охлаждения). Практически применяемые режимы весьма сильно влияют на характер превращения, приводя к результатам, часто не соответствующим диаграмме состояния. Так, применение больших скоростей нагрева приводит к получению в доэвтектоидной стали аустенитно-карбидной структуры. Хорошо известно также, что нагрев до различных температур выше А3—Аст приводит к получению аустенита с разными свойствами, а это определяет различное поведение в процессе охлаждения и свойства термически обработанной стали. Все эти особенности определяются диффузионным характером процесса образования аустенита, развивающимся во времени. Поэтому изменение температурно-временных условий нагрева приводит к изменению состава и строения аустенита со всеми вытекающими последствиями.
2. МЕХАНИЗМ ПРЕВРАЩЕНИЯ
Из данных, полученных в результате микроскопического анализа, следует, что аустенит образуется в результате зарождения и роста зерен в объеме исходной структуры (впервые это показано в работе). Исследований.показывают, что образование аустенита происходит всегда на поверхности раздела феррито-карбидных фаз. При этом в зернах аустенита остаются многие карбидные частицы, постепенно растворяющиеся в нем. Экспериментально не удалось установить, что границы зерен перлита (или перлита и феррита) играют какую-либо специальную роль в процессе зарождения. По некоторым данным, они играют второстепенную роль. К выводу об определяющей роли границ приходят в работе.
Хорошо известно, что аустенит в эвтектоидной стали получается при температуре немного выше 723°. Однако при этих температурах феррит не может превратиться в аустенит: малоуглеродистый феррит ( ПРИ 825—850° [80]. Предложенное авторами объяснение связывает феррито-аустенитное превращение при пониженных температурах с мартенситным механизмом процесса.
Проведенное далее исследование подтвердило устойчивость обнаруженного эффекта. При этом на сплавах железа с 0,02 и 0,07% С было показано, что контактный электронагрев со скоростью 200—250° С/сек приводит к выявлению дилатометрическим методом этого эффекта при 830° (0,07% С) и 850° (0,02% С) после предварительной закалки и отсутствию подобного эффекта при нагреве в тex же условиях в сплавах, не прошедших предварительной закалки. Опытные кривые для технического железа с 0,02% С приведены на рис. 17. Скоростной нагрев предварительно отожженного (2 часа при 950°) феррита показывает превращение при
920° — при дилатометрическом и 918° — термическом методе исследования; это соответствует критическим точкам диаграммы состояния (рис. 17, а). После предварительной закалки (950° 5 мин.) ди-
латометрический метод обнаруживает превращение в интервале 850—912° (рис. 17, б). Поскольку превращение протекает в широком интервале температур, кривая термического исследования не обнаруживает видимых отклонений от линии нормального нагрева и не позволяет уловить эффект превращения. И. Н. Кидин связывает этот факт с измельчением блоков мо
заичной структуры феррита после закалки, неравномерным распределением и повышенной растворимостью углерода по границам блоков. Действительно, наличие дислокаций в местах стыка границ блоков должно привести к образованию «облаков» Коттрелла из внедренных в решетку феррита атомов углерода, т. е. к повышенной растворимости.
Специальное исследование действительно подтвердило воз-
можность повышения концентрации углерода на границах блоков феррита до 0,25%. Согласно диаграмме Fe — Fe3C (рис. 16), превращение феррита, пересыщенного углеродом до 0,25%, в аустенит может происходить, начиная от 830—840°, что совпадает с данными, полученными независимым экспериментом. С этих позиций объясняется также сделанный ранее вывод о преимущественном зарождении аустенита на поверхностях раздела феррита.
Изложенным представлениям о механизме процесса образования аустенита противоречат данные о независимости положения критической точки от скорости нагрева. На основании рассмотрения кривых, полученных при индукционном нагреве, отдельные исследователи пришли к выводу, что образование аустенита происходит немедленно по достижении температуры А1. В дальнейшем, однако, было показано, что особенности индукционного нагрева приводят к получению перегибов всегда при температуре магнитного превращения (в точке Кюри феррита), независимо от района фазовых превращений. Поэтому положение площадки на кривых всегда постоянно, ибо соответствует постоянной температуре магнитного превращения для нелегированного феррита (768°). Неточность расшифровки узких осциллограмм заставила этих исследователей ошибочно отнести полученную площадку к температуре А1.
Аналогичная зависимость, полученная при опытах с нагревом путем пропускания тока через образец, была в дальнейшем опровергнута результатами ряда работ.
Критическое рассмотрение ошибочных представлений о безгистерезисности процесса образования аустенита с позиций общей теории фазовых превращений проведено в работе Г. В. Курдюмова.
3. ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ПЕРЛИТА В АУСТЕНИТ
Выше было указано, что скорость образования аустенита ¦определяется скоростью зарождения и роста частиц. Экспериментальное исследование показало, что скорость зарождения зерен аустенита весьма быстро увеличивается с повышением температуры нагрева над критической точкой. Так, скорость зарождения [/мм 3 сек] равна при температуре, °С:
Таким образом, повышение температуры от 740 до 800° приводит к увеличению скорости зарождения в 280 раз.
Изучение скорости роста зерен аустенита показало также весьма большое увеличение ее (в 82 раза) с повышением температуры (от 730 до 800°).
Температурная зависимость скорости роста зерен аустенита показана на рис. 18. Абсолютное значение этой характеристики может быть вычислено по значению коэффициента диффузии углерода в аустените и граничным условиям, определяемым диаграммой состояния железо — цементит.
Температурная зависимость скорости роста зерен аустенита показана на рис. 18. Абсолютное значение этой характеристики может быть вычислено по значению коэффициента диффузии углерода в аустените и граничным условиям, определяемым диаграммой состояния железо — цементит.
Фазовое распределение углерода в процессе образования аустенита показано на рис. 19. Максимальная концентрация углерода в аустените Смах имеет место на границе с карбидной частицей. Минимальная концентрация Gmin при данной температуре определяется линией GOS диаграммы состояния Fe—РезС. Для определения граничных условий расчета допускается, что концентрация Смах равна наибольшей концентрации углерода в аустените при данной температуре (определяется линией SE, рис. 16).
Термической обработкой называют технологические, процессы теплового воздействия, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий по определенным режимам с целью изменения структуры и свойств сплава. Любой процесс термической обработки может быть описан графиком в координатах температура – время (рис. 30).
Параметрами процесса термической обработки являются максимальная температура нагрева (tmax) сплава; время выдержки (тв) сплава при температуре нагрева; скорость нагрева (vн) и охлаждения (vо). На практике обычно подсчитывают среднюю скорость нагрева или охлаждения. Она равна максимальной температуре нагрева, поделенной на время нагрева или охлаждения, т.е. vн.ср=tmax/тн и vо.ср=tmax/то.
Рис. 30. График термической обработки
Термическая обработка изменяет в нужном направлении прочностные, пластические и другие свойства материала изделий.
В основе теории термической обработки лежат фазовые и структурные превращения, протекающие при нагреве и охлаждении металлов и сплавов. Эти превращения характеризуются определенными критическими точками. При медленном нагреве от комнатной температуры до 727°С в сплаве I фазовых изменений не происходит (рис. 31). При температуре 727°С перлит превращается в аустенит (точка а). Точку а на диаграмме называют нижней критической точкой и обозначают Ac1 (при охлаждении – Аг1). Буквы с и г указывают на то, что превращение происходит соответственно при нагреве или охлаждении стали, а индекс единица внизу этих букв – на точки, образующие линию PSK. При дальнейшем нагреве сплава I зерна феррита растворяются в аустените.
Если нагревать эвтектоидный сплав II, то перлит в точке S (линия PSK) при 727°С превращается в аустенит. Критические точки Ac1 и Ас3 при этом совпадают. Перлит сплава III при 727°С превращается в аустенит (точка b). Дальнейший нагрев сплава III вызывает растворение цементита (вторичного) в аустените. В точке b1, лежащей на линии SE, процесс растворения заканчивается. Эту точку обозначают Аcm.
Рис. 31. «Стальной» участок диаграммы состояния железо-цементит: I – доэвтектоидная сталь, II – эвтектоидная сталь, III – заэвтектоидная сталь
Превращения в стали при нагреве
Нагрев стали при термической обработке используют для получения аустенита. Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критической точки Ас1 состоит из зерен перлита и феррита. В точке Ac1 происходит превращение перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от точки Ac1 до Ас3 избыточный феррит растворяется в аустените и в точке Ас3 (линия GS) превращения заканчиваются. Выше точки Ас3 структура стали состоит из аустенита.
Таким же образом происходят превращения при нагреве заэвтектоидной стали, но с той лишь разницей, что при дальнейшем повышении температуры от точки Ac1 до точки Аcm в аустените начинает растворяться избыточный цементит (вторичный). Выше точки Аcm (линия SЕ) структура состоит только из аустенита. Вновь образовавшийся аустенит неоднороден даже в объеме одного зерна. В тех местах, где раньше были пластинки цементита, содержание углерода значительно больше, чем в тех местах, где находились пластинки феррита.
Для выравнивания химического состава и получения однородного аустенита доэвтектоидную сталь нагревают немного выше верхней критической точки Ас3 и выдерживают некоторое время при этой температуре для завершения диффузионных процессов.
По окончании процесса превращения перлита в аустенит образуется большое количество мелких аустенитных зерен. Эти зерна называют начальными зернами аустенита.
Дальнейший нагрев стали или увеличение выдержки приводит к росту аустенитного зерна. Размер зерна, полученный в стали в результате той или иной термической обработки, называют действительным зерном. Величина такого зерна зависит не только от термической обработки, но и от способа выплавки стали. Однако склонность к росту аустенитных зерен с повышением температуры нагрева различная. Стали, раскисленные в процессе плавки кремнием и марганцем, обладают большой склонностью к непрерывному росту зерен аустенита при повышении температуры. Такие стали называют наследственнокрупнозернистыми. К ним относят кипящие стали. Стали, раскисляемые в процессе выплавки дополнительно алюминием и в особенности легированные титаном или ванадием, мало склонны к росту зерна аустенита при нагреве до 950-1000°С. Такие стали называют наследственномелкозернистыми. К ним относят спокойные стали.
Размер наследственного зерна не оказывает влияния на свойства стали. От размера действительного зерна зависят механические свойства стали, главным образом ударная вязкость, она значительно понижается с увеличением размера зерна. Размер действительного зерна в стали зависит от размера зерна аустенита. Как правило, чем крупнее зерна аустенита, тем крупнее действительные зерна.
Размер наследственного зерна оказывает влияние на технологические свойства стали. Если сталь наследственно мелкозернистая, то ее можно нагревать до более высокой температуры и выдерживать при ней более длительное время, не опасаясь чрезмерного роста зерна но сравнению с наследственно крупнозернистой сталью. Горячую обработку давлением – прокатку, ковку, объемную штамповку наследственно мелкозернистой стали – можно начинать и оканчивать при более высокой температуре, не опасаясь получения крупнозернистой структуры.
Для определения размера наследственного (аустенитного) зерна применяют различные методы. Например, для низкоуглеродистых цементуемых сталей применяют метод цементации, т. е. науглероживание поверхности стали. При нагреве стали до 930±10°С в углеродсодержащей смеси и выдержке при данной температуре в течение 8 ч поверхностный слой ее насыщается углеродом до заэвтектоидного состава. При охлаждении из аустенита выделяется избыточный цементит, который располагается по границам зерен аустенита в виде сетки. После полного охлаждения эта цементитная сетка окружает зерна перлита и показывает размер бывшего при нагреве аустенитного зерна. Подготовленную таким образом структуру стали рассматривают в микроскоп при 100х увеличении, видимые под микроскопом зерна сравнивают с эталонными, предусмотренными стандартной шкалой размеров зерна (рис. 32). Зерна от № 1 до № 4 считают крупными, а с № 5 – мелкими.
Рис. 32. Шкала для определения размера зерен: 1-10 – номера зерен при 100х увеличении
Превращения в стали при охлаждении
Аустенит является устойчивым только при температуре выше 727°С (точка Ar1). При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния (ниже точки Ar1), аустенит становится неустойчивым – начинается его превращение. Такое превращение может начаться только лишь при некотором переохлаждении аустенита. Для случая эвтектоидной углеродистой стали аустенит превратится в перлит, т. е. в механическую смесь феррита и цементита. При этом, с одной стороны, чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение и тем быстрее будет происходить превращение аустенита в перлит. С другой стороны, это превращение сопровождается диффузионным перераспределением углерода и чем ниже температура переохлаждения, тем медленнее протекает процесс диффузии, что в свою очередь замедляет превращение аустенита в перлит. Такое противоположное действие обоих названных факторов (переохлаждения и диффузии) приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, достигая при определенной величине переохлаждения максимума, а затем убывает.
Рис. 33. Диаграмма изотермического превращения эвтектоидной стали: А – аустенит, П – перлит, С – сорбит, Т – троостит, Б – бейнит, М – мартенсит
Процесс превращения аустенита в перлит экспериментально проводят при постоянной температуре, т. е. в изотермических условиях. Для этого образцы из стали нагревают до температуры, при которой ее структура состоит из однородного аустенита, а затем быстро переносят в термостаты с заданной температурой. Превращение аустенита при постоянной температуре обобщается и изображается наглядно в виде диаграммы изотермического превращения (рис. 33). Эта диаграмма строится на основе исследований при постоянных температурах (700, 650, 550°С и т. д.). По горизонтальной оси диаграммы наносят время в логарифмической шкале: 1, 10, 100, 1000, 10 000 и 100 000 с. Это дает возможность проследить превращения, протекающие за промежуток от долей секунды до суток и более. По вертикальной оси откладывают температуру. Далее на диаграмме проводят жирные С-образные линии, отвечающие полученным экспериментальным путем точкам изотермического превращения аустенита. В этой стали распад аустенита происходит в интервале температур от Ас1 до Мн (температуры начала мартенситного превращения). Левая кривая I соответствует началу, а правая кривая II – окончанию распада аустенита. Стальной образец охлаждают до 700°С и выдерживают его при этой температуре. В течение некоторого промежутка времени до точки а (пересечение горизонтали, соответствующей 700°С с кривой I) в аустените превращений не происходит. Этот период времени называют инкубационным.
На диаграмме изотермического превращения в зависимости от степени переохлаждения различают три температурные области превращения: перлитную, бейнитную и мартенситную. В точке а начинается перлитное превращение. Диффузионный распад аустенита продолжается до точки b (пересечение горизонтали 700°С с кривой II), где происходит превращение аустенита в перлит. Перлит образуется при распаде аустенита при малых степенях переохлаждения в области температур от Ас1 до 650°С. Твердость перлита НВ 160. Если охлаждать образец до 650°С, т. е. до точек начала a1 и конца b1 распада аустенита, то инкубационный период и период распада аустенита уменьшаются, в результате чего образуется структура сорбит.
Перлитом (рис. 34, а) называют механическую смесь кристаллов феррита и цементита; сорбитом (рис. 34, 6) – более мелкую (дисперсную), чем перлит, механическую смесь феррита и цементита. Сталь, в которой преобладает структура сорбита, обладает высокой прочностью и пластичностью.
При охлаждении образца до 500°С, до точек распада а2 и b2, аустенит превращается в троостит. Троостит (рис. 34, в) представляет собой очень тонкую смесь феррита и цементита; отличается от перлита и сорбита очень высокой степенью дисперсности составляющих. Сталь со структурой троостита обладает повышенной твердостью (НВ 330-400), достаточной прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью.
Таким образом, основным фактором, определяющим структуру и свойства аустенита, является температура превращения. Если на С-образную кривую нанести лучи (термические линии охлаждения), то получим следующую схему (рис. 35). При медленном охлаждении образца луч v1, пересечет кривые I и II в точках a1 и b1. При этих температурах происходит превращение аустенита в перлит.
При большей скорости охлаждения луч v2 пересечет кривые в точках а2 и b2 и аустенит полностью превратится в сорбит. При еще больших скоростях охлаждения луч v3 проходит через точки а3 и b3 и образуется новая структура – троостит.
Далее по мере ускорения процесса охлаждения лучи будут все круче (линии v4 и v5) и первое превращение аустенита в троостит не успеет закончиться. Оставшаяся часть переохлажденного аустенита (точки а4 и а5) начнет превращаться в троостит с мартенситом.
Рис. 35. Кривые охлаждения стали на диаграмме изотермического распада аустенита
Наконец, при наибольших скоростях охлаждения, когда луч vкр касается кривой I (начала распада аустенита) и пересекает горизонталь Мн, в стали получается только мартенсит. Скорость охлаждения, при которой в закаливаемой стали из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. Чтобы закалить сталь, ее охлаждают со скоростью, не меньшей, чем критическая (например, v6). Мартенситное превращение в отличие от перлитного имеет бездиффузионный характер. Мартенсит является основной структурой закаленной стали. Он имеет высокую твердость, зависящую от содержания углерода в стали. Чем больше содержится углерода в мартенсите, тем выше твердость стали. Так, например, для стали с содержанием 0,4% углерода твердость мартенсита составляет HRC 52-54, а для стали с содержанием углерода 1,0% – HRC 62-64. Мартенсит имеет совершенно отличную от других структур природу. При резком переохлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частичек цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. В этом случае происходит только перестройка решетки γ-железа в решетку α-железо. Атомы углерода остаются в решетке α-железа (мартенсите) и поэтому сильно ее искажают.
Такую искаженную кристаллическую решетку называют тетрагональной (рис. 36), в которой один параметр с больше другого а и, следовательно, отношение параметров с/а>1. Степень искаженности (тетрагональности) зависит от содержания углерода в стали: она тем выше, чем больше углерода в стали. Следовательно, мартенсит представляет собой твердый раствор углерода в α-железе, которое способно растворять очень небольшое количество углерода (до 0,02%), а в мартенсите углерода столько, сколько его содержится в аустените этой стали, поэтому мартенсит является α-твердым раствором, перенасыщенным углеродом.
Рис. 37. Микроструктура мартенсита при 1000х увеличении
Мартенсит имеет характерное игольчатое строение (рис. 37, а). Чем мельче зерна аустенита, тем мельче получаются иглы мартенсита (рис. 37, 6). Такая структура характерна для правильно закаленной стали. Для аустенитно-мартенситного превращения характерно то, что оно происходит в интервале температур. Начинается превращение при температуре Мн, а заканчивается при более низкой температуре Мк (рис. 38). Чем больше в стали углерода, тем ниже температура точек Мн и Мк. При содержании углерода более 0,6% мартенситное превращение оканчивается при температурах ниже нуля. Поэтому, для того, чтобы в высокоуглеродистых сталях получить большее количество мартенсита, их следует охлаждать до температур ниже нуля. Однако при температуре конца мартенситного превращения (точка Мк) не происходит полного образования мартенсита. Аустенит А частично остается не превращенным в мартенсит и называется остаточным аустенитом. В конструкционных углеродистых сталях остаточный аустенит составляет
5%. Закаленные высокоуглеродистые стали содержат большее количество остаточного аустенита – до 12%.
Рис. 38. Влияние содержания углерода на температуру начала и конца мартенситного превращения
При аустенитно-мартенситном превращении изменяется объем образующихся структур. Максимальный объем имеет структура мартенсита, меньший объем – структура троостита, еще меньший – сорбита и перлита и самый минимальный объем имеет структура аустенита.
Бейнитное (промежуточное) превращение при изотермической выдержке углеродистых сталей происходит в интервале температур
500-250°С с образованием структуры, называемой бейнитом. Это превращение характеризуется сочетанием как перлитного (диффузионного), так и мартенситного (бездиффузионного) превращения. Начинается бейнитное превращение с перераспределения углерода в аустените. Благодаря этому в аустените образуются обогащенные и обедненные углеродом участки. Цементит выделяется в участках, обогащенных углеродом, в результате чего образуются участки аустенита, обедненные углеродом. В этих участках, а также в уже имеющихся участках, обеднениях углеродом, идет мартенситное превращение, а затем распад цементита, в результате чего образуется ферритоцементитная смесь.
При температуре изотермической выдержки более 350°С образуется верхний бейнит (
НВ 450) с перистым строением, напоминающим строение перлита, при температуре изотермической выдержки менее 350°С образуется нижний бейнит (
НВ 550), имеющий игольчатое строение, похожее на строение мартенсита.
Мобильный гидравлический дровокол своими руками
