Фазовые превращения в сплавах железа (теория термической обработки)

Знание фазовых и структурных превращений, протекающих в стали при ее нагреве и охлаждении с различной скоростью, позволяет правильно установить режимы различных видов термической обработки, широко применяемых на металлургических и машиностроительных заводах.

Образование аустенита из перлита возможно после небольшого перегрева стали относительно равновесной температуры (Ai), когда свободная энергия аустенита становится меньше свободной энергии феррито-цементитной смеси. Превращение перлита в аустенит - кристаллизационный процесс, и он протекает в результате образования зародышей аустенита и последующего их роста.

Зародыши аустенита всегда возникают на границе раздела кристаллов феррита и цементита. Скорость образования аустенита больше всего, если сталь имела структуру тонкопластинчатого перлита, эта скорость уменьшается, если перлит имеет грубопластинчатую форму, и скорость образования аустенита меньше всего для зернистого перлита. Это объясняется тем, что с увеличением дисперсности карбидов возрастает поверхность их раздела с ферритом и, следовательно, увеличивается скорость возникновения зародышей аустенита и их рост.

Образовавшиеся зародыши аустенита развиваются в результате растворения цементита и превращения феррита. Однако скорость роста кристалла аустенита за счет феррита всегда больше, чем за счет цементита. Поэтому после превращения феррита в аустените сохраняется еще некоторое количество цементита, который при дальнейшей выдержке (или повышении температуры) растворяется в аустените.

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше А_с3 (для доэвтектоидной стали) и выше А_ст (для заэвтектоидной стали), переохладить до температуры ниже Аг_ь то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращения. Для описания кинетики превращения переохлажденного аустенита пользуются экспериментально построенными диаграммами время- температура - время распада или диаграммами изотермического превращения аустенита.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области или ступени превращения: перлитную, область промежуточного превращения и мартенситную.

Перлитное превращение (рис.56) сводится к полиморфному превращению g→a и диффузионному перераспределению углерода, что приводит к образованию феррито - цементитной структуры. В результате диффузионного перемещения углерода практически однородной по концентрации аустенита, например углеродистой стали, распадается с образованием феррита (почти чистое железо) и цементита, содержащего 6,67% С, т.е., состоит из фаз, имеющих резко различную концентрацию углерода.

Ведущей фазой при этом является карбид (цементит). Как правило, его зародыши образуются на границах зерен аустенита.

В результате роста частиц этого карбида прилегающий к нему объем аустенита обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испытывает полиморфизм g→a превращения, которое, как всякая перестройка решетки в решетку, идет сдвиговым путем. При этом кристаллики феррита зарождаются на межфазных границах с цементитом, где этот процесс облегчен.

Мартенсит является частично упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в а - железе. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в а - железе при 20°С не превышает 0,002% С, то его содержание в мартенсите может быть таким же, как и в исходном аустените, т.е. достигать в пределе 2,14% С.

Мартенситное превращение происходит только в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлажден до низких температур, когда диффузионные процессы становятся невозможными. При мартенситном превращении не происходит перераспределения его компонентов между аустенитом и мартенситом, поэтому его можно рассматривать как фазовое превращение в однокомпонентной системе. Образование мартенсита становится возможным лишь тогда, когда его энергия Гиббса будет меньше энергии Гиббса аустенита. Это имеет место при переохлаждении аустенита до температуры ниже Т_о. Для начала мартенситного превращения требуется большое переохлаждение аустенита (точка М_н), при котором значение разности объемной энергии Гиббса: DG_o6> G_пов + G_упр. Закончится мартенситное превращение при температуре М_к. Аналогичное явление может иметь место при нагреве.

Превращение аустенита в мартенсит и обратное превращение мартенсита в аустенит протекает в интервале температур (М_н - М_к и А_н - А_к), который зависит от состава аустенита. Деформация аустенита при температуре между М_н и М_д (лежащей несколько ниже Т_о) также вызывает мартенситное превращение образуется мартенсит деформации.

Бейнитное (промежуточное) превращение протекает в температурной области между перлитным и мартенситным превращениями.В результате промежуточного превращения образуется бейнит, представляющий собой структуру, состоящую из а- твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение и несколько пересыщенного углеродом, и частиц карбидов. Различают структуру верхнего и нижнего бейнита. Верхний бепнит, образующийся обычно в области температур - 500 -350°С, имеет «перистый вид», в котором частицы карбидов выделяются не в виде пластинок, как в перлите, а в виде изолированных узких частиц. Ни жний бейнит образуется при температурах от 350° С до точки М_н и имеет реечное (пластинчатое) мартенситоподобное строение. Карбидные частицы в нижнем бейните располагаются в пластинках a- фазы.

Бейнитное превращение протекает при температурах, когда скорость самодиффузии железа и диффузия легирующих элементов практически невозможны, а скорость диффузии углерода еще достаточно высока. Это и предопределяет особенности бейнитного превращения. В начале этого превращения происходит диффузионное перераспределение углерода в аустенит, что приводит к образованию в нем объемов, обогащенных и обедненных углеродом. Участки аустенита с низким содержанием углерода, у которых точка М_н лежит в области температур промежуточного превращения, претерпевает g→a превращения по мартенситному механизму. Образующийся малоуглеродистый мартенсит тут же отпускается при температурах промежуточной области с образованием бейнитной структуры. В объемах аустенита, обогащенных углеродом, если их пересыщение высокое, процессе изотермической выдержки могут выделяться частицы карбида.

Бейнитное превращение протекает по следующим реакциям: (аустенит) → (малоуглеродистый реечный мартенсит) + Fe₃C + _ост (остаточный аустенит) → бейнит. Если в результате диффузионного перемещения углерода в аустените участки, обогащенные углеродом, не претерпевают распада с выделением карбидов или мартенситного превращения, при охлаждении образуется бескарбидный бейнит - малоуглеродистый мартенсит и высокоуглеродистый аустенит. При образовании бескабидного бейнита не происходит выделение карбидов и в структуре сохраняется высокоуглеродистый аустенит (~ 0,1% С) с низкой мартенситной точкой М„ и М_к и высокой устойчивостью к деформационному воздействию. Бескарбидный бейнит обеспечивает высокую конструктивную прочность стали. Образование в структуре бейнита карбидов, приводит к сильному охрупчиванию стали.