Связь между диаграммами фазового равновесия

И возможностью термической обработкисплавов

Почти во всех видах термической обработки сплавов изменение их структуры и свойств достигается за счёт фазовых превращений в твёрдом состоянии. Необходимую информацию о том, какие фазовые превращения возможны в конкретной системе сплавов и в каких температурных интервалах они проходят, даёт диаграмма фазового равновесия.

К числу структурных изменений в твёрдом состоянии, которые делают возможными отжиг второго рода, закалку и отпуск (старение), относятся полиморфные (аллотропические) превращения и/или существенные изменения растворимости при нагреве. Данное утверждение иллюстрируется диаграммами фазового равновесия на рис. 4.2.

Так, для всех сплавов на рис. 4.2, а с концентрацией компонента В, не превышающей значения, соответствующего точке D, в том числе и для сплава 1, возможна истинная закалка с последующим старением, а для сплавов, находящихся на шкале концентраций правее точки К, в том числе и для сплава 2, закалка с получением пересыщенного раствора невозможна.

 

 

а) б)

Рисунок 4.2− Диаграммы фазового равновесия для сплавов, в которых возмож-

наистинная закалка с получением пересыщенного твердого рас-

твора α (а) и закалка с полиморфным превращением γ→α (б).

На рис. 4.2, б изображен фрагмент ДФР для сплавов, в которых компонент А претерпевает полиморфное превращение.В диапазоне концентраций компонента В в сплаве до значения, соответствующего точке D, при достаточно медленном охлаждении из однофазной области твёрдого раствора γ имеет место эвтектоидное превращение. В результате его образуется равновесная структурная составляющая – эвтектоид α + β. Быстрым охлаждением указанное равновесное превращение может быть подавлено, и вместо него произойдёт процесс образования некоей метастабильной фазы с образованием соответствующей нестабильной структуры, отличающейся от исходного высокотемпературного состояния.

Выбор температуры гомогенизирующего отжига

Углеродистой стали

Поскольку физическим процессом, устраняющим дендритную ликвацию при гомогенизирующем отжиге в готовом изделии (отливке), является диффузия, следует проводить отжиг при как можно более высокой температуре. Чем выше температура, тем больше коэффициент диффузии, определяющий её скорость и сокращающий тем самым продолжительность отжига. Верхней температурной границей гомогенизирующего отжига в общем случае может быть принята температура начала плавления стали. В металловедении она называется солидусом и зависит от химического состава стали конкретной марки. Для углеродистых сталей информацию о зависимости солидуса от концентрации углерода несёт диаграмма железо – цементит, конкретнее её «стальной угол». Указанный фрагмент диаграммы изображён на рисунке … в разделе 5.3. Солидус углеродистых сталей характеризуетсячастью AHIE общей линии солидусAHIECF. Однако для низкоуглеродистых сталей, содержащих менее0,2 мас. % углерода, верхней температурной границей гомогенизирующего отжига служит линия NI. Превышение этой температуры (в теории термообработки она называется критической точкой А₄) приведёт к началу перекристаллизации аустенита γ в δ-феррит с неизбежным возникновением новой ликвации по зерну δ-феррита.

Выбор температуры отжига второго рода

Углеродистой стали

Изображения дефектных микроструктур стали, требующих исправления отжигом второго рода, представлены на рис. 4.3, а-в

а) б) в)

Рисунок 4.3 – Дефектные микроструктуры в сталях:

а) «видманштеттова структура» пластинчатого феррита в доэвтектоидных сталях,б) крупнозернистая феррито-перлитная структура в доэвтектоидных сталях,в) сеткой вторичного цементита по границам бывшего аустенитного зерна в заэвтектоидных сталях.

 

Изображения микроструктур сталей, получаемых после исправляющего отжига второго рода, представлены на рис. 4.4, а-б.

Главными фазовыми превращениями в доэвтектоидной стали, протекание которых закладывает основы исправления дефектных структур, являются превращение перлита в аустенит выше критической температуры А_с1 (см. разд. 5.3) и полное превращение структурно-свободного феррита в аустенит в интервале температур А_с1 … А_с3. Другими словами, нагрев феррито-перлитной структуры должен обеспечивать полный её переход в однофазное аустенитное состояние.

Это возможно, если температура отжига Т_отж будет превышать температуру А_с3. Отмеченное превышение не должно быть слишком большим, чтобы исключить рост зерна аустенита, и не слишком малым, чтобы исключить недогрев из-за погрешностей приборов для измерения температуры. Обычно полный отжиг второго рода доэвтектоидной стали проводят в интервале температур

Т_отж = А_с3 +(30…50) ^ОС.

 

а) б)

Рисунок 4.4 – Микроструктуры в сталях,исправленные отжигом второго рода:

а) мелкозернистая равноосная феррито-перлитная структура доэвтектоидной стали после полного отжига стали с крупным зерном или «видманштеттовым ферритом», б) структура зернистого перлита после неполного

(сфероидизирующего) отжига заэвтектоидной стали

Полному отжигу иногда подвергают и заэвтектоидные стали со структурой перлита и вторичного цементита. В этом случае интервал температур полного отжига заэвтектоидной стали можно отобразить следующим образом:

Т_отж = А_сm +(30…50) ^ОС.

Поскольку критические температуры А_с3 и А_сm зависят от концентрации углерода в стали, для наглядности интервал рекомендуемых температур отжига второго рода для сталей изображают «на фоне» диаграммы фазового равновесия железо – цементит (см. рис. 4.5).

а) б)

Рисунок 4.5 – Изображение интервала температур отжига второго рода на «стальном» участке диаграммы железо - цементит

Среди причин устранения дефектов микроструктуры при полном отжиге второго рода можно назвать следующие:

- превращение перлита в аустенит выше А_с1 характеризуется образованием в объёме, занимаемом одной перлитной колонией, большого количества мелких зёрен аустенита; это, в свою очередь, при образовании перлита в ходе охлаждения от температуры отжига приведёт к образованию в пределах одного аустенитного зерна нескольких перлитных колоний; так происходит устранение крупнозернистости как в доэвтектоидных (рис. 4.3, а-б), так и в заэвтектоидных сталях;

- полный перевод феррито-перлитной структуры в доэвтектоидных сталях выше А_с3 в аустенит приводит к полному растворению пластин видманштеттова феррита (рис. 4.3, а); при охлаждении от температуры отжига образующиеся кристаллы феррита становятся равноосными; так устраняется структура «видманштеттова феррита» (также рис. 4.3, а).

Более детально с механизмами и кинетикой аустенитного и перлитного превращений можно ознакомиться, обратившись к разделам 5.3.1 и 5.3.2 данного руководства.

Следует отметить, что третий из проиллюстрированных дефектов микроструктуры– сетка (являющаяся в трехмерном представлении плёнкой) вторичного цементита в заэвтектоидных сталях(рис. 4.3, в) – полным отжигом не устраняется. Растворяющийся выше А_сm вторичный цементит при охлаждении вновь выделяется по границам аустенитного зерна в виде сетки (плёнки).Предотвратить образование сетки можно, если охлаждать аустенит от температуры выше А_сm не с печью, а на спокойном воздухе или в воздушной струе, т.е. с большей скоростью. Эта разновидность полного отжига называется нормализацией (см. далее).

Для заэвтектоидных сталей чаще всего проводят неполный отжиг второго рода. «Неполнота» заключается в нагреве заэвтектоидной стали несколько выше А_с1, или, как говорят, в межкритический интервал А_с1 … А_сm (рис. 4.5, б). При этом превращение перлита в аустенит (суть этого превращения см. в разд. 5.3.1) протекает почти полностью, но в аустените сохраняются микрообъёмы с повышенной концентрацией углерода на месте бывших цементитных пластин. Частицы цементита, не растворившиеся полностью, а также обогащенные углеродом микрообъёмы аустенита становятся центрами кристаллизации для цементита при последующем охлаждении. Замечательно то, что образующиеся кристаллы цементита имеют не пластинчатую, а округлую (сфероидальную, зернистую) форму.Получающаяся в ходе эвтектоидного превращение аустенита при переохлаждении ниже А_r1

γ_0,8 → α_0,02 + Fe₃C

микроструктура изображена на рис. 4.4, б и называется зернистым перлитом, а неполный отжиг заэвтектоидной стали – отжигом на зернистый перлит или сфероидизирующим отжигом.

В заключение следует сказать, что необходимое медленное охлаждение изделия от температуры отжига практически реализуется как охлаждение с печью, когда она выключается. Ориентировочная оценка средней скорости охлаждения в течение примерно суток – 0,5…2,5^ОС/мин.

В практике термической обработки широко применяется разновидность полного отжига, называемая нормализацией. Её отличие от собственно полного отжига заключается в том, что охлаждение изделия от температуры отжига проводится на спокойном воздухе, а не с печью. Ориентировочная оценка средней скорости охлаждения при нормализации – 10…20 ^ОС/мин.