Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

JUT

1100

soo

0,4 0,8 1,2 1,6

Содержание

углерода,

Величина зерна

Рис.

101

Диаграмма состояния Fe

—

(я) и

схема роста зерна аусуснита

стали,

содержащей 0,8%С

(б):

— наследственно мелкозернистая сталь;

— наследственно крупнозернистая сталь;

3 -

наслед-

ственное

зерно;

-/ — зерно при нагреве под'термическую обработку;

5 -

исходное

зерно;

—

начальное

зерно аустенита

Стали, раскисленные алюминием, наследственно мелкозернистые,

так

как

в них

образуются дисперсные частицы A1N, тормозящие рост зерна

ау-

стенита. Растворение этих частиц влечет

за

собой быстрый рост зерна.

В двухфазных областях, например

заэвтектоидных сталях,

интерва-

ле температур

Ас

—

(рис. 101, а) рост зерна аустеннта сдерживается

не-

растворившимися карбидными частицами. Такое

же

сдерживающее влия-

ние

на

рост зерна

доэвтектоидных сталях

интервале температур

Ас, — Ас^ (рис. 101, а) оказывают участки феррита.

Легирующие элементы, особенно карбидообразующие, замедляющие

собирательную рекристаллизацию, задерживают рост зерна аустенита.

На-

иболее сильно действуют

Ti, V, Zr,

Nb,

W и

Мо, образующие труднорас-

творимые

аустените карбиды, которые

служат

барьером. Более слабое

влияние

оказывает такой карбидообразующий элемент,

как

хром. Марга-

нец

фосфор способствуют росту черна аустенита.

Следует отметить,

что

термины — наследственно крупнозернистая

и на-

следственно мелкозернистая сталь

не

обозначают того,

что

данная сталь

имеет всегда крупное или всегда мелкое зерно. Наследственное зерно,

по-

лученное

стандартных условиях технологической пробы» указывает

лишь

на то, что при

нагреве

до

определенных температур крупнозер-

нистая

сталь приобретает крупное зерно

при

более низкой температуре,

чем сталь мелкозернистая (рис.

101).

Наследственно мелкозернистая сталь при достаточно высокой темпера-

туре

может даже иметь более крупное зерно аустенита,

чем

наследственно

161

Рис. 102

Микроструктура

перегретой

(я) и

пережженной

(у)

ста.чи

(х 100)

крупнозернистая сталь, поэтому введено понятие о

действительном

зерне,

т. е. зерне, существующем в стали при данной температуре.

Размер действительного зерна аустенита обусловлен температурой на-

грева, продолжительностью выдержки при ней и склонностью данной ста-

ли к росту зерна при нагреве.

Перегрев и пережог. Продолжительный нагрев доэвтектоидной (заэв-

тектоидной) стали при температурах, значительно превышающих А

или

ст

приводит к образованию крупного действительного зерна как непо-

средственно при этой температуре, так и после охлаждения до

20°С.

Такой

нагрев принято называть

перегревом

стали. Перегретая сталь характери-

зуется крупнокристаллическим изломом.

В перегретой стали нередко часть феррита (цементита) образуется по

сдвиговому механизму превращения. Рост видманштеттовых кристаллов

феррита (цементита) происходит при высоких температурах в условиях

диффузии

углерода

(рис. 102).

Перегрев может быть исправлен повторным нагревом стали доэвтек-

тоидной до температуры выше точки Ас

(см. рис. 101), а эвтектоид-

ной

и заэвтектоидной — выше Ас^.

Нагрев при еще более высокой температуре, чем нагрев, вызывающий

перегрев и к тому же в окислительной атмосфере, называют

пережогом

стали; он сопровождается образованием по границам зерен окислов желе-

за (см. рис. 102,6). При пережоге излом стали камневидный. Пережог-

неисправимый дефект стали.

Влияние величины зерна на свойства стали. Величина зерна стали не

оказывает существенного влияния на стандартный комплекс механических

свойств, получаемых при испытании на статическое растяжение (а„, а

5, \|/) и твердость, но с ростом зерна резко снижается ударная вязкость, ра-

бота распространения трещины и повышается порог хладноломкости. Чем

крупнее зерно, тем более сталь склонна к закалочным трещинам и дефор-

мациям.

Все это

следует

учитывать при выборе режимов термической

обработки.

Выявление и определение величины

scpiia.

Рост зерна аустенита опреде-

ляют различными методами (ГОСТ

5639

— 65): цементацией, окислением,

162

Рис.

103 Определение зерна

аустенита

различными

метода-

ми:

а — цементацией;

— окисле-

нием

;

в - по

ферритной

сет-

ке

;

— травлением зерна

с ис-

пользованием моющих

средств;

—

при

непосред-

ственном наблюдении

при

высоких температурах,

на-

грев

вакуумной камере

по

ферритной

или

цементитной сетке

травлением границ зерен.

По

мето-

ду цементации образец доэвтектоидной стали насыщают углеродом

при

930°С

течение

8 ч. При

этом содержание

углерода

аустените, находя-

щемся

поверхностной зоне, достигает заэвтектоиднои концентрации.

При

последующем медленном охлаждении

по

границам зёрна аустенита выде-

ляется вторичный цементит, образующий сплошную сетку,

по

которой

по»

еле охлаждения определяют величину бывшего зерна аустенита

(рис.

юз4

ГбЗ-

При

использовании

других

методов выявления зерна температуру наг-

рева принимают равной температуре закалки или на 20 —

30°С

выше этой

температуры. Время выдержки при таком нагреве 3 ч.

случае

применения метода окисления металлографический шлиф на-

гревают в защитной атмосфере и после окончания выдержки в печь пода-

ют

воздух.

Шлиф

охлаждают

в воде, полируют и травят 15%-ным раство-

ром соляной кислоты в этиловом спирте. Границы бывших зерен

аустенита выявляются на шлифе сеткой окислов (рис. 103, б). Метод, осно-

ванный

на образовании сетки феррита, применяют для доэвтектоидных,

а метод образования сетки цементита — для заэвтектоидных сталей.

Образцы нагревают до заданной температуры и

охлаждают

со скоростью,

обеспечивающей образование сетки феррита или цементита (рис. 103, в).

Нередко зерно аустенита определяют на образцах после закалки и отпуска

при

225 —

55О°С

путем травления микрошлифа в растворе пикриновой кис-

лоты с добавлением 0,5 — 1,0% моющих средств

«Астра»

или «Новость».

Более перспективный метод определения зерна аустенита — при помощи

специальных микроскопов с нагревательной вакуумной камерой. В этом

случае

непосредственно наблюдают зерно аустенита, существующее при

высоких температурах (рис. 103,

д).

Величину зерна определяют под микро-

скопом

при увеличении в 100 раз. Зерна, видимые на шлифе, сравнивают

с эталонными изображениями, приведенными на рис. 104. Величину зерна

определяют баллами. Между номером зерна N (баллом) и количеством зе-

рен п, помещающихся на 1 мм

шлифа,

существует

следующая зависи-

мость: n =

N+3

Стали с зерном № 1-5 относят к группе крупнозернистых, а с зерном

№6

— 15 к мелкозернистым.

3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕВРАЩЕНИЯ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУ-

СТЕНИТА

(ДИАГРАММА ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ

ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА)

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до

температуры выше Ас

(для доэвтектической стали) или выше А

ст

(для эв-

тектоидной стали), переохладить до температуры ниже А

1г

то аустенит

оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращение.

Для описания кинетики превращения переохлажденного аустенита по-

льзуются экспериментально построенными диаграммами время — темпе-

ратура — степень распада или диаграммами изотермического превращения

аустеннта, т. е. превращения, протекающего при постоянной температуре

Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие

образцы стали нагревают до температур, соответствующих существова-

нию

стабильного аустенита, а затем быстро

охлаждают

(переохлаждают

аустенит) до температуры ниже A

например до 700, 600, 500, 400,

300°С

т. д., и выдерживают при этих температурах до полного распада аустенита.

В литературе на английском языке эти диаграммы называют ТТТ: time - temperature —

transformation.

164

а-

^ ;

^--"'"

"'•"•••••• •••/

к*>^

1 " ••".-.•;

1 ks

i >—< \

X )У\ \

^v, -i j I 1

\ I >~r~l J

1 4 /v^

л / \

/ X~^ H

^ AL

/ X h

l_y >«x PT*T> -'

XV—4

\ /"f •/ 'r v \

-у

•

/ Г Y 1 /

л £

.s..,*"

ч/ \

• '•

165

1О

Время

10* Lnrc

Рнс.

105

loci роение диаграммы изотерми-

ческого превращения переохлажденного

аусгенита для стали с 0,8%С:

а — кинетические кривые; й — диаграмма

изотермического

превращения аустснита

Степень

его распада можно

определять разными мето-

дами: микроскопическим,

магнитным,

дилатометриче-

ским

и др.

Результаты исследования

при

постоянной температуре

характеризует кривая, пока-

зывающая количество рас-

павшегося аустенита в зави-

симости от времени, прошед-

шего с момента начала рас-

пада. Как видно из рис.

105, а, в течение некоторого

промежутка времени (Н

, Я

) распад аустенита экспериментально

не

фиксируется; Этот период называют

инкубационным.

По

истечении этого периода аустенит начинает распадаться с обра-

зованием

более стабильных структур. В области повышенных темпе-

ратур

распад протекает с образованием структуры из феррита и цементи-

та. Скорость распада сначала быстро увеличивается, а затем постепенно

замедляется. Через некоторое время (К

, К

) процесс распада по-

лностью заканчивается или приостанавливается. Построение таких кривых

после охлаждения до разных температур (t

, t

и т. д.) позволяет полу-

чить диаграмму изотермического превращения аустенита (рис. 105. б). Для

этого нужно отрезки времени, соответствующие началу (Я„ Н

, Н

) и кон-

цу распада аустенита (К

, К

и т. д.) или какой-то заранее принятой

степени

превращения для каждой из исследуемых температур (t

, t

перенести на график, на котором по оси абсцисс откладывается время

а по оси ординат — температура, и одноименные точки соединить плавны-

ми

кривыми. В диаграмме изотермического превращения аустенита (рис.

105,6)

кривая 1 характеризует начало распада аустенита, а кривая 2 по-

казывает время, необходимое для полного распада аустенита.

Область, лежащая левее кривой начала распада аустенита (см. рис.

105,6), определяет продолжительность инкубационного периода'; в интер-

вале температур и времени, соответствующих этой области,

существует

переохлажденный аустенит, практически не претерпевающий заметного

распада. Длительность инкубационного периода характеризует устойчи-

вость переохлажденного аустенита. С увеличением переохлаждения его

устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума, и далее вновь воз-

растает (рис. 105,6).

Шкалу времени для удобства построения чаще выбирают логарифмической, так как вре-

мя

распада может колебаться в широких пределах — от долей секунды до десятков минут

даже часов.

166

При

температуре наименьшей устойчивости аустенита скорость превра-

щения

очень велика. В углеродистых сталях длительность инкубационного

периода при этой температуре не превышает

1,0—1,5

с. Уменьшение устой-

чивости аустенита и роста скорости его превращения с увеличением сте^

пени

переохлаждения объясняется возрастанием разности свободных

энер-

гий аустенита и образующимися фазами (структурой). При этом, как уже

указывалось выше,, уменьшается размер критического зародыша, способ-

ного к росту, и возрастает количество объемов в исходном аустените, в ко-

торых

могут

возникнуть зародыши новой фазы. Повышение устойчивости

аустенита и уменьшение скорости его превращения при больших степенях

переохлаждения вызывается снижением скорости образования и роста

новых фаз вследствие замедления процесса диффузии.

При

переохлаждении аустенита до температуры, равной или ниже мар-

тенситной точки М

, соответствующей температуре начала превращения

переохлажденного аустенита в мартенсит (см. рис. 105,6), диффузионные

процессы полностью подавляются, и образование структуры, состоящей из

феррита и цементита, становится невозможным. В этом

случае

протекает

бездиффузионное превращение аустенита в

структуру

закаленной стали,

называемую

мартенситом

и представляющую собой пересыщенный твер-

дый раствор внедрения

углерода

в а-железе.

Содержание

углерода

в мартенсите по этой причине в общем

случае

не

отличается от его содержания в переохлажденном аустените'.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три

температурные области, или ступени, превращения (рис. 105,6):

перлитную,

область

промежуточного

превращения

(промежуточного

между

перлитным

мартенситным превращением) и

мартенситпую.

Знание

этих превращений важно для решения многих практических за-

дач. Перлитное превращение протекает в процессе отжига стали (см. стр.

192), а мартенситное — при закалке стали (см. стр. 197). Промежуточное пре-

вращение важно для понимания так называемой изотермической закалки

стали (см. стр. 211).

4. ПЕРЛИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ

Перлитное превращение (см. рис. 105) переохлажденного аустенита носит

кристаллизационный характер и по своему механизму является

диффу-

зионным.

Это

следует

из того, что аустенит, например, углеродистой стали

(рис.

106), практически однородный по концентрации

углерода,

распадается

с образованием феррита (почти чистое железо) и цементита, содержащего

6,67% С, т. е. состоит из фаз, имеющих различную концентрацию

углерода.

Ведущей, в первую очередь возникающей фазой при этом является карбид

(цементит). Его зародыши, как правило, образуются на границах зерен

аустенита.

В результате роста частиц этого карбида прилегающий к нему объем

аустенита обедняется углеродом, снижает свою устойчивость и испыты-

вает полиморфное у -> а-превращение. При этом кристаллики феррита за-

Это положение полностью справедливо для тех сталей, у которых мартенситная точка

соответствует температурам ниже

100°С.

167

Ф+Ц

Рис. 106 Схема возникновения и роста перлитного зерна:

—

аустенит; //

—

образование зародыша цементита на границе зерна аустеннта; III

—

обра-

зование пластин цементита и феррита, IV— VI

—

рост и образование новых пластин цемен-

тита и феррита (перлита); VII

—

перераспределение

углерода

при образовании перлита;

/ - высокая концентрация

углерода

- цементит (6,67%С); 2 - низкая концентрация

углерода

—

феррит (0,02% С)

рождаются на границе с цементитом, который облегчает этот процесс.

Дальнейший рост ферритных пластинок

ведет

к обогащению окружаю-

щего аустенита углеродом, что затрудняет дальнейшее развитие у-*.

-»а-превращения. В обогащенном таким образом углеродом аустените

зарождаются новые и

растут

ранее возникшие пластинки цементита (кар-

бидов). Вследствие этих процессов образования и роста частиц карбидов

вновь создаются условия для возникновения новых и роста имеющихся

кристалликов (пластинок) феррита. В результате происходит коло-

ниальный

(совместный) рост кристалликов феррита и цементита, образую-

щих перлитную колонию (рис. 106).

Продукты перлитного превра-

щения

имеют пластинчатое строе-

ние.

Пластинчатые структуры эв-

тектоидного типа часто опреде-

ляют как перлит, сорбит и троос-

тит или соответственно грубо-,

средне-, и тонкодифференцирован-

ный

перлит. Чем больше пере-

2fl

20 30

1*0

506070

90100

200

Переохлаждение

М,

"С

охлаждение, тем тоньше получа-

ется ферритно-цементптная струк-

тура,

т. е. меньше величина меж-

пластинчатого расстояния Д

(рис.

107), равного усредненной сумме

толщин

двух

пластинок феррита

цементита (см. рис. 106), и выше

твердость.

Рис.

107. Влияние степени переохлаждения на

межпластнночные расстояния Д

в перлите

168

Структура

мкм .

нв. . .

Рис.

108. Влияние температуры пере-

охлаждения аустеинта на степень дис-

персности феррипю-цементной струк-

туры

(х

1500):

а - превращение при

700°С

— пер-

лит; 6 — превращение при

600°С

—

сорбит;

в — превращение при

500*С

троостит

Перлит

0,6-1,0

180-250

Сорбит

0,25-0,3

250-350

Троостит

0,1-0,15

350-450

Перлит, сорбит и троостит, образующиеся при диффузионном распаде

переохлажденного аустенита, являются ферритно-цементитными структу-

рами,

имеющими пластинчатое строение, и различающиеся лишь степенью

дисперсности (рис. 108).

Однако в отличие от перлита (эвтектоида) сорбит и троостит, назы-

ваемые квазиэвтектоидными, не являются равновесными структурами

сталях, не соответствующих эвтектоидному составу (содержат углерода

больше или меньше 0,8%).

Механические свойства стали со структурами перлита, сорбита и троости-

та. Твердость и прочность стали с указанными структурами прямо про-

порциональна величине поверхности раздела между ферритом и цементи-

том, поэтому с увеличением степени дисперсности ферритно-цементитной

структуры, т. е. с понижением температуры ее распада, твердость, пределы

прочности, текучести и выносливости возрастают (см. рис. 109).

Относительное удлинение и относительное сужение наивысшие у сорби-

та. При переходе к трооститу (более низкой температуре превращения)

пластичность (8 и \|/) уменьшаются.

Изотермическое превращение аустенита в доэвтектоидных и заэвтек-

тоидных сталях. В этих сталях (рис. 110) в отличие от эвтектоидной стали

169

кас/nrf

140

Бепнитное

превращение

120

100

HRC

Перлитное

превращение

Рис.

109.

Зависимость

механических

свойств

стали

0,78%

С от

температуры

превращения

аустснита

феррнгно-цсмснштную

структуру

(<т

—

предел

прочности,

GQ^ —

предел

текучести.

Од

—

предел

выносливости)

верхнем интервале температур

сна-

чала выделяются избыточные фазы

—

феррит

(в

доэвтектондной стали)

или

избыточный цементит

(в

заэвтекто-

идной стали).

Начало выделения избыточного

феррита (цементита)

на

диаграмме

изотермического распада отмечается

дополнительной кривой

(рис.

ПО,

а,

в).

Количество выделяющегося

из-

быточного феррита

(или

цементита)

уменьшается

понижением темпера-

туры,

и при

некоторой степени пере-

охлаждения распад начинается

не-

посредственно

образования зароды-

шей эвтектоида

или,

точнее, квази-

эвтектоида,

т. е.

структуры

эвгекто-

идного типа,

но

отличающейся иным

составом,

чем

перлит (эвтектоид).

Покажем

это на

примере доэвтекто-

идной стали, содержащей

0,45% С

(рис.

111). При

727°С

(равновесная

точка

)

количество феррита

в до-

эвгектоидной стали

0,45"

С опре-

делится отношением

ciS/pS

(рис.

111,6).

При

переохлаждении

до ~

625°С

количество феррита станет меньше

выразится отношением

бв/гв.

При ~ 580 С

количество избыточного

феррита станет равным нулю.

„

П Ни

finl/

•

500

600

700

"С

800

600

200

МЦ

-А-

А—~Ф

X-

(0+Fe,C

М~А

'' 1

.А

_[А-П(

Мн

М*А

0+Fe,c

•

-5

/А,

У77/

Мн

Ф+Ге

/V/V.' // //

•///,

ИКС

1 10 10

}

с 0 1 10 10

10* Ю^с 0 1 10 10

)

5) 0)

Рис.

110.

Диаграммы

изотермического

превращения

дли

доэвтектоидной

(а),

эвтектоидной

0,8%С (о) и

зазвтекгоидной

стали,

содержащей

1,29%С

(в).

HRC

—

твердость

продуктов

распада

аустенита

170