Кузьмин Б.А. и др. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

131

зультате чего получается левая кривая диаграммы. После переноса и соедине-

ния друг с другом точек 6i, 62 и т. д. получается правая кривая диаграммы.

Как видно (см. рис. 78, б), кривые по форме подобны букве С и потому их

и называют С-кривыми. Левая кривая характеризует начало распада, а правая -

окончание распада аустенита на феррито-цементитную смесь. Область между

вертикальной осью и кривой начала распада аустенита - тот период времени, в

течение которого аустенит не обнаруживает признаков распада, находится в

переохлажденном состоянии (инкубационный период).

Как показано на диаграмме, при температурах немного ниже критической

точки A1 и при температурах немного выше критической о мартенситном пре-

вращении см. ниже.

точки начала мартенситного превращения аустенит обладает наибольшей

устойчивостью, так как при этих температурах левая кривая наиболее удалена

от вертикальной оси. При температуре аустенит наименее устойчив, на что ука-

зывает левая кривая, наиболее близко расположенная к вертикальной оси. Сле-

довательно, устойчивость аустенита зависит от расположения кривых изотер-

мического распада аустенита: чем правее расположены эти кривые, тем больше

устойчивость аустенита.

Приведенная на рис. 78, б диаграмма изотер-

мического распада аустенита характерна для эвтек-

тоидной стали. Если заменить условно обозначен-

ные температуры конкретными данными, то такая

диаграмма (изотермического превращения аустенита

эвтектоидной стали) будет иметь вид, приведенный

на рис. 79.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три тем-

пературные области превращения: перлитную область, область промежуточно-

го превращения и мартенситную область (рис. 79).

132

§ 5. Перлитное превращение

Перлитная область распространяется на интервал температур от критиче-

ской точки А

до изгиба С-кривой ( ~ 550

С). Превращение аустенита в перлит

заключается в распаде аустенита на феррит и цементит.

Перед распадом углерод диффундирует внутри аустенита и скапливается

в определенных местах на границе зерна аустенита с образованием зародышей

цементита.

Рост зародышей цементита происходит за счет диффузии углерода из

прилегающих объемов аустенита, что приводит к обеднению углеродом аусте-

нита, окружающего образовавшиеся пластины це-

ментита, и способствует превращению его в феррит.

Поэтому рядом с цементитными пластинами обра-

зуются пластины феррита. Таким образом, возника-

ет участок перлита, в котором пластины цементита и

феррита расположены параллельно (рис. 80 и 81, а).

При дальнейшем росте перлитного зерна эти пластины удлиняются (краевой

рост) и присоединяются новые пары пластин, параллельные исходным (боковой

рост) (рис. 81, б). Такой процесс происходит до столкновения перлитных зерен,

их срастания и превращения всего аусте-

нита в перлит (рис. 81, в).

Чем ниже температура, при кото-

рой происходит распад аустенита, тем

дисперснее образующаяся феррито-

цементитная смесь. Степень дисперсно-

сти принято характеризовать межпластиночным расстоянием l

(см. рис. 80),

под которым понимают усредненную сумму толщин двух соседних пластинок

феррита и цементита.

133

Перлит (рис. 82, а) получается при распаде аустенита при малых степенях

переохлаждения при температуре - 700° С (l

= 0,6-1,0 мкм; НВ180-250). Если

аустенит переохлажден до - 650° С и при этой температуре распадается, то об-

разующаяся более мелкая, чем перлит, феррито-цементнтная смесь называется

сорбитом (рис. 82, б). Твердость сорбита НВ250-330; l

= 0,25-0,3 мкм. При пе-

реохлаждении аустенита до ~ 550° С образуется еще более мелкая феррито-

цементитная смесь, называемая трооститом (рис. 82, в). Твердость троостита

НВЗЗО-400; l

= 0,1-0,15

мкм. Таким образом,

структуры перлит, сорбит

и троостит представляют

собой феррито-

цементитную смесь. Они

различаются между собой

величиной частиц цементита: в сорбите эти частицы мельче, чем в перлите, а в

троостите мельче, чем в сорбите.

При изотермическом превращении аусте-

нита доэвтектоидных сталей в интервале темпе-

ратур выше изгиба С-кривой процесс на-

чинается с выделения феррита (при температуре

ниже А

), что на диаграмме характеризуется до-

бавочной линией а - б (рис. 83). При температу-

ре ниже А

после выделения некоторого коли-

чества феррита аустенит превращается в ферри-

то-цементитную смесь. С повышением степени

переохлаждения (понижением температуры)

уменьшается выделение избыточного феррита.

Выделение феррита прекращается при температуре, соответствующей изгибу

134

С-кривой, и распад аустенита происходит без выделения избыточного феррита.

При этом образуется феррито-цементитная смесь (троостит) с таким ко-

личеством углерода, которое содержит доэвтектоидная сталь. Поскольку с

нижением температуры количество выделяющегося избыточного феррита

уменьшается, то образующаяся при распаде аустенита феррито-цементитная

смесь этих сталей содержит углерода меньше чем 0,8%. Такой эвтектоид,

зовавшийся из переохлажденного аустенита и имеющий концентрацию, отлич-

ную от эвтектоидной (0,8%), называется квазиэвтектоидом.

При изотермическом превращении заэвтектоидных сталей процесс анало-

гичен. Разница только в том, что вместо избыточного феррита выделяется из-

быточный цементит.

§ 6. Мартенситное превращение

Мартенсит является основной структурой закаленной стали. В большин-

стве случаев в стали стремятся получить эту структуру, так как сталь, закален-

ная на мартенсит, обладает высокой твердостью (HRC50-65).

Мартенсит имеет совершенно отличную от других структур природу и

образуется не так, как феррито-цементитные структуры.

При резком переохлаждении углерод не успевает выделиться из твердого

раствора (аустенита) в виде частичек цементита, как это имеет место при обра-

зовании перлита, сорбита и троостита. Происходит перестройка решетки γ-

железа в решетку α-железа. Атомы углерода остаются в решетке α-железа (мар-

тенсите) и поэтому сильно ее искажают. Такую искаженную кристаллическую

решетку называют тетрагональной (рис. 84), в которой один

параметр а больше другого а и, следовательно, отношение

параметров с/а > 1. Степень искаженности (тетрагонально-

сти) зависит от содержания углерода в стали: она тем выше,

чем больше углерода в стали. Следовательно, мартенсит

представляет собой твердый раствор углерода в α-железе,

135

которое способно растворять очень небольшое количество углерода (до 0,02%);

а в мартенсите углерода (раствор в α-железе) столько, сколько его содержится в

аустените этой стали, поэтому мартенсит является α-твердым раствором,

сыщенным углеродом.

Мартенсит разделяют на пластинчатый и реечный. Пластинчатый мар-

тенсит (чаще его называют

игольчатым) наблюдается в

закаленных средне- и высо-

коуглеродистых сталях.

Мартенситный кристалл

имеет форму тонкой пла-

стины, но очень редко когда

плоскость мартенситной

пластины совпадает с плос-

костью шлифа (рис. 85, а).

Обычно в зависимости от

угла сечения пластин плоскостью шлифа они

наблюдаются под микроскопом в виде игл раз-

личной толщины (рис. 85, б). Размер пластин

мартенсита зависит от размера зерен аустенита.

Чем мельче зерна аустенита, тем мельче полу-

чаются пластины мартенсита. При наличии

очень мелких пластин игольчатое строение не-

различимо под микроскопом при обычно при-

меняемых увеличениях (500-600 раз) и мартен-

сит называют бесструктурным или скрытокристаллическим (рис. 86). Такая

структура характерна для правильно закаленной стали.

136

Реечный мартенсит (называемый также массивным)

наблюдается в закаленных низко- и среднеуглеродистых

сталях. Кристаллы этого мартенсита имеют вид реек (пла-

нок), вытянутых в одном направлении. Эти рейки объеди-

нены в пакеты. В одном зерне аустенита может быть не-

сколько таких пакетов (рис. 87).

Характерным для мартенситного превращения явля-

ется то, что при температуре, соответствующей критиче-

ской точке М

(рис. 88), не происходит полного превращения аустенита в мар-

тенсит. При этой температуре начинается образование мартенсита - появляют-

ся первые иглы мартенсита. Поэтому температура точки М

- это температура

начала образования мартенсита. Дальнейшее, более пол-

ное превращение аустенита в мартенсит, происходит при

понижении температуры и заканчивается при определен-

ной температуре. Поэтому существует еще одна критиче-

ская точка - точка температуры конца превращения ау-

стенита в мартенсит, которая обозначается М

. Таким

образом, весь процесс образования мартенсита из аустени-

та протекает не при одной температуре, а в интервале температур.

Температура начала мартенситного превращения (точка М

) изменяется в

зависимости от содержания углерода. Чем больше в стали углерода, тем ниже

(но постоянна) температура, при которой начинается

превращение аустенита в мартенсит (рис. 89). Тем-

пература точки М

так же, как температура точки М

понижается с повышением в стали углерода. При со-

держании более 0,6% углерода мартенситное превра-

щение оканчивается при температурах ниже нуля. По-

этому для того, чтобы в высокоуглеродистых сталях

137

получить большее количество мартенсита, их следует охлаждать до температур

ниже нуля.

Характерным для мартенситного превращения является то, что даже при

температуре конца мартенситного превращения (точка М

) не происходит пол-

ного образования мартенсита. Аустенит частично остается не превращенным в

мартенсит и называется остаточным аустенитом. (А

ост

, рис. 88).

Аустенито-мартенситное превращение сопровождается увеличением объ-

ема. Все структуры стали можно расположить (от максимального объема к ми-

нимальному) в следующей ряд: мартенсит - троостит - сорбит - перлит - аусте-

нит.

§ 7. Промежуточное (бейнитное) превращение

При изотермической выдержке в интервале температур от изгиба С-

кривой ( ~ 550° С) до точки М

(см. рис. 79) образуется структура, называемая

бейнитом. Бейнитное превращение характерно сочетанием особенностей как

диффузионного - перлитного так и бездиффузионного - мартенситного превра-

щений, и поэтому в участках аустенита, обогащенных углеродом, выделяется

цементит, при этом образуются участки аустенита, обедненные углеродом, в

которых происходит мартенситное превращение, а затем распад мартенсита на

феррито-цементитную смесь. Кроме бейнита, в структуре стали после проме-

жуточного превращения присутствует остаточный аустенит.

Феррит в бейните, в отличие от феррита в перлите, является пересыщен-

ным твердым раствором углерода в α-железе; при изотермическом превраще-

нии при температуре 400° С в нем содержится 0,1 % С, а при 300° С - 0,2% С.

В зависимости от температуры изотермической выдержки микро-

структура и механические свойства бейнита различны. Бейнит, образующийся

при температуре немного ниже изгиба С-кривой (450-550° С) называется верх-

ним бейнитом и имеет перистое строение, напоминающее строение перлита

(рис. 90, а). Твердость его примерно такая же, как троостита.

138

Бейнит, образующийся при более низкой температуре (немного выше

точки М

), называется нижним бейнитом и имеет игольчатое строение, похожее

на строение мартенсита (рис. 90, б). Твердость его более высокая - НВ500-550

(для эвтектоидной стали).

§ 8. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении

Оно называется также промежуточным превращением (промежуточным

между перлитным и мартенситным).

Бейнитное превращение начинается с перераспределения углерода в пе-

реохлажденном аустените с образованием обедненных и обогащенных углеро-

дом участков аустенита. Участки обедненного аусте-нита претерпевают мар-

тенситное превращение. Образовавшийся мартенсит неустойчив при этих тем-

пературах и в процессе изотермической выдержки распадается на феррито-

цементитную смесь. Термическая обработка стали обычно проводится не изо-

термическим процессом (при постоянной температуре), а непрерывным охлаж-

дением после нагрева с получением аустенита. Так как кривые охлаждения

строят в тех же координатах температура - время, что и диаграмму изотермиче-

ского превращения аустенита, то для рассмотрения превращения аустенита при

непрерывном охлаждении нанесем кривые охлаждения на диаграмму изо-

термического превращения аустенита (рис. 91).

При небольшой скорости охлаждения (кривая образуется перлит. С уве-

личением скорости охлаждения (кривые υ

, υ

) образуются более мелкие ферри-

139

то-цементитные смеси - сорбит и троостит, т. е. те же структуры, которые обра-

зуются при изотермическом процессе при увеличении степени переохлаждения.

При еще большей скорости охлаждения (кривая υ

) не происходит полного рас-

пада аустенита на феррито-цементитную смесь, а часть его переохлаждается до

точки М

, в результате чего образуется структура, состоящая из троостита и

мартенсита. При очень большой скорости охлаждения (кривая υ

) превращения

аустенита в феррито-цементитную смесь не происходит, весь аустенит переох-

лаждается до температуры точки М

и превращается в мартенсит. Кривая охла-

ждения v

(касательная к выступу изотермической кривой) характеризует ми-

нимальную скорость охлаждения, при которой образуется мартенсит без про-

дуктов перлитного распада, и называется критической скоростью закалки.

На рис. 92 приведена зависимость критических точек эвтекто-идной ста-

ли от скорости охлаждения. С увеличением скорости охлаждения критическая

точка Аr

, т. е. температура, при которой происходит превращение аустенита в

феррито-цементитную смесь, понижается. Сниженная критическая точка Аr

обозначается Аr'. Образование троостито-

мартенситной структуры характеризуется двумя кри-

тическими точками - Аr' (образование троостита) и

(начало образования мартенсита). При скоростях

охлаждения, больших критической скорости закалки

), при температуре критической точки М

начина-

ется превращение аустенита в мартенсит. Оказывает-

ся, если скорость охлаждения больше критической,

то мартенсит в этой стали образуется всегда при одной и той же температуре

(горизонтальная линия на рис. 92).

§ 9. Превращения закаленной стали при нагреве

Закаленная сталь, находясь в напряженном и неустойчивом состоянии,

стремится к своему устойчивому стабильному состоянию, т. е. к превращению

140

мартенсита и остаточного аустенита в феррито-цементитную смесь. Такое пре-

вращение, характерное для нагрева (отпуска) закаленной стали, сопровождается

изменением объема (длины), так как объем структур закаленной стали различен

- наибольший объем у мартенсита и наименьший - у аустенита. Поэтому если

при нагреве происходит превращение мартенсита, то объем (длина) уменьшает-

ся, а если распадается аустенит, то происходит увеличение объема (длины).

На рис. 93 приведена кривая влияния температуры нагрева на изменение

длины образца закаленной стали. При нагреве (отпуске) закаленной стали на-

блюдаются четыре превращения: первое превращение при нагреве до темпера-

туры 200° С, второе - в интервале 200-300° С, третье - при 300-400° С, четвер-

тое - при 400-600° С.

При первом превращении (нагрев до 200° С) наблюдается сокращение

длины, что связано с изменениями, происходящими в тетрагональной решетке

мартенсита. Тетрагональность решетки уменьшается и соотношение осей с/α

приближается к единице. Степень тетрагональности мартенсита зависит от со-

держания углерода - чем больше углерода, тем больше тетрагональность ре-

шетки. Если из пересыщенного α-твердого раствора происходит выделение уг-

лерода, то тетрагональность уменьшается. Углерод выделяется в виде мель-

чайших пластинок низкотемпературного эпсилон-карбида (ε-карбида). Обра-

зующийся в результате первого превращения мартенсит называется мартенси-

том отпуска и представляет собой смесь пересыщенного твердого раствора уг-

лерода в α-железе и ε-карбида .

При низких температурах нагрева (до 80° С) не происходит изменения

объема и выделения углерода, так как кривая располагается горизонтально

(рис. 93). Но это верно только для нагрева с небольшой продолжительностью

выдержки. При очень длительной выдержке превращения происходят даже при

комнатной температуре.