Мутылина И.Н. Судостроительные материалы
Подождите немного. Документ загружается.
Задания для контроля
Задание 1
1. Нарисуйте диаграмму состояния с неограниченной растворимостью в жидком и
твердом состояниях с указанием структурных составляющих.
2. Напишите эвтектическую реакцию.
3. Изобразите графически изменение твердости для диаграммы состояния с неограни6
ченной растворимостью в жидком и твердом состояниях.
4. Дайте определение линии солидус.
5. Объясните на примере построенной диаграммы правило отрезков.
Задание 2
1. Нарисуйте диаграмму состояния эвтектического типа с указанием структурных со6
ставляющих.
2. Напишите эвтектоидную реакцию.
3. Дайте определение линии сольвус.
4. Изобразите графически изменение электропроводности для диаграммы эвтектиче6
ского типа.
5. Постройте кривую нагрева эвтектического сплава.
Задание 3
1. Нарисуйте диаграмму состояния с неограниченной растворимостью в жидком состо6
янии и ограниченной растворимостью в твердом состоянии (перитектического типа)
с указанием структурных составляющих.
2. Напишите перитектоидную реакцию.
3. Изобразите графически изменение предела прочности для диаграммы состояния пе6
ритектического типа.
4. Объясните на примере диаграммы правило фаз.
5. Дайте определение понятию структурные составляющие.
Задание 4
1. Нарисуйте диаграмму состояния с образованием эвтектоида и укажите структурные
составляющие на диаграмме.
2. Напишите перитектическую реакцию.
3. Изобразите графически изменение твердости для построенной диаграммы.
4. Дайте определение понятию фаза.
5. Нарисуйте кривую охлаждения заэвтектоидного сплава.
Задание 5
1. Нарисуйте диаграмму состояния системы с участием полиморфных компонентов и
укажите структурные составляющие на построенной диаграмме.
2. Дайте определение линии ликвидус.
3. Изобразите графически изменение твердости для диаграммы с химическим соедине6
нием постоянного состава.
4. Объясните на примере диаграммы правило фаз.
5. Перечислите основные отличия химических соединений от твердых растворов.
Задание 6
1. Нарисуйте диаграмму состояния с неограниченной растворимостью в жидком состо6
янии и ограниченной растворимостью в твердом состоянии (эвтектического типа) с
указанием структурных составляющих.
2. Перечислите основные условия образования твердых растворов с неограниченной
растворимостью.
3. Дайте определение температуры эвтектического превращения.
4. Опишите изменение литейных свойств для диаграммы эвтектического типа.
5. Постройте кривую нагрева доэвтектического сплава.
21
Глава 4. ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
Термическая обработка металлов – это процесс обработки изделий из металлов и спла6
вов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном
направлении.
Фазовые превращения при нагреве
Для многих видов термической обработки сталь нагревают до температур, соответству6
ющих существованию аустенита (процесс аустенитизации). Образование аустенита при на6
греве является диффузионным процессом и подчиняется основным положениям теории кри6
сталлизации.
При нагреве эвтектоидной стали (стали содержащей 0,8 % С) до температуры Ас
1
(727°С) происходит растворение в феррите некоторого количества цементита в соответствии
с линией предельной растворимости PQ (рис. 11,а).
При повышении температуры выше Ас
1
(например, до t
1
) концентрация углерода в
отдельных участках феррита возрастает. Такие участки феррита неустойчивы и претерпева6
ют превращение в аустенит.
После исчезновения феррита и цементита, и, естественно, границ между ними, где пре6
имущественно зарождался аустенит, наблюдается только рост зерен аустенита без возникно6
вения новых зародышей. Образовавшийся аустенит неоднороден по содержанию углерода. В
участках, прилегающих к частицам цементита, концентрация углерода в аустените выше
(точка б на рис. 11,а), чем в участках, прилегающих к ферриту (точка в на рис. 11,а). Под
влиянием этого градиента концентрации происходит диффузия атомов углерода в аустените.
В результате растворения цементита в аустените аустенит стабилизируется. Следовательно,
рост участков аустенита происходит вследствие полиморфного
α⇔γ
-превращения и диффу
зии углерода.
Рис. 11. Превращения в эвтектоидной стали при нагреве: а – изменение фазового состава при
нагреве; б – схема структурных изменений при нагреве: I-IV – последовательные стадии
превращения перлита в аустенит (начало образования аустенита, конец превращения перлита
в аустенит, полное растворение карбидов, гомогенизация аустенита)
После превращения феррита в аустенит в структуре стали сохраняется еще некоторое
количество цементита (рис. 11,б, III) и для его растворения в аустените продолжительность
изотермической выдержки должна быть увеличена. Образовавшийся в результате описанных
превращений аустенит неоднороден по составу, и для его гомогенизации требуется дополни6
тельное время (рис. 11,б,IV).
При повышении температуры превращение перлита в аустенит резко ускоряется. Ско6
рость превращения феррито-цементитной структуры в аустенит, кроме температуры нагрева,
22
зависит от ее исходного состояния. Чем тоньше феррито-цементитная структура, тем больше
возникает зародышей аустенита и быстрее протекает процесс аустенитизации.
Предварительная сфероидизация цементита, особенно с образованием крупных его гло6
булей, замедляет процесс образования аустенита.
При нагреве доэвтектоидной или заэвтектоидной стали процесс аустенитизации ослож6
няется превращением структурно свободного феррита в аустенит или растворением избы6
точного цементита. Чем больше в стали углерода, тем быстрее протекает аустенитизация,
что объясняется увеличением количества цементита, а, следовательно, и ростом суммарной
поверхности раздела феррита и цементита.
Введение в сталь хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и других элементов, образую6
щих карбиды, задерживает аустенитизацию из-за образования легированного цементита или
трудно растворимых в аустените карбидов легирующих элементов. Соответственно больше
требуется времени и для гомогенизации аустенита. Легирующие элементы неравномерно
распределены между ферритом и карбидами, следовательно, и в аустените содержание леги6
рующих элементов по объему будет не одинаково.
При непрерывном нагреве превращение перлита в аустенит протекает в некотором ин6
тервале температур.
Чем выше скорость нагрева, тем при более высокой температуре происходит превраще6
ние феррито-цементитной структуры (перлита) в аустенитную. Интервал температур, в кото6
ром протекает превращение перлита в аустенит, тем больше, чем выше скорость нагрева,
поэтому при скоростном нагреве (например токами высокой частоты) температура нагрева
для аустенитизации стали должна быть выше, чем при сравнительно медленном печном на6
греве.
Рост зерна аустенита при нагреве
Зародыши аустенита при нагреве выше А
1
образуются на границах раздела феррит – кар6
бид. При таком нагреве число зародышей всегда достаточно велико и начальное зерно аусте6
нита мелкое. При дальнейшем повышении температуры или увеличении длительности вы6
держки при данной температуре происходит рост зерна аустенита, термодинамически оправ6
данный стремлением системы к уменьшению свободной энергии вследствие сокращения по6
верхности зерен.
Размер зерна, образовавшегося при нагреве до данной температуры, естественно, не из6
меняется при последующем охлаждении. Способность зерна аустенита к росту неодинакова
даже у сталей одного марочного состава, вследствие влияния условий выплавки. Различают
два предельных типа сталей по склонности к росту зерна: наследственно мелкозернистые и
наследственно крупнозернистые.
В наследственно мелкозернистой стали при нагреве до 950-1000°С зерно увеличивается
незначительно, однако при более высоком нагреве наступает бурный рост зерна. В наследст6
венно крупнозернистой стали, наоборот, сильный рост зерна наблюдается даже при незначи6
тельном перегреве выше А
1
(температуры окончания аустенитизации). Различная склонность
к росту зерна определяется условиями раскисления стали и ее составом. Стали, раскисленные
алюминием, наследственно мелкозернистые, так как в них образуются дисперсные частицы
AlN, тормозящие рост зерна аустенита. Растворение этих частиц влечет за собой быстрый
рост зерна.
Легирующие элементы, особенно карбидообразующие (наиболее сильно действуют Ti,
V, Zr, Nb , W и Мо), задерживают рост зерна аустенита, так как образуют труднораствори6
мые в аустените карбиды, которые служат барьером.
Наследственное зерно, полученное в стандартных условиях, указывает лишь на то, что
при нагреве до определенных температур наследственно крупнозернистая сталь приобретет
относительно более крупное зерно при более низкой температуре, чем сталь мелкозернистая.
23
Размер действительного зерна аустенита обусловлен температурой нагрева, продолжи6
тельностью выдержки при ней и склонностью длиной стали к росту зерна при нагреве.
Продолжительный нагрев доэвтектоидной (заэвтектоидной) стали при температурах,
значительно превышающих А
3
(Ас
т
), приводит к образованию крупного действительно зер
на. Поверхность разрушения излома перегретой стали характеризуется бугорчатым грубозер6
нистым строением (зерна без металлического блеска, как бы оплавленные). Перегрев может
быть исправлен отжигом. Еще более высокий нагрев, чем при перегреве, вызывает пережог
стали. Пережог сопровождается образованием по границам зерен окислов железа. При пере6
жоге излом стали камневидный. Пережог – неисправимый дефект стали.
Величина зерна стали не оказывает существенного влияния на стандартный комплекс
механических свойств, получаемых при испытании на статическое растяжение (σ
В
, σ
0,2
, δ, ψ)
и твердость, но с ростом зерна резко снижается ударная вязкость, уменьшается работа рас6
пространения трещины и повышается порог хладноломкости. Чем крупнее зерно, тем более
сталь склонна к закалочным трещинам и деформациям.
Разнозернистость сильно снижает конструктивную прочность, вызывая охрупчивание в
зонах, прилегающих к концентраторам напряжений.
Выявление и определение величины зерна. Размер зерна аустенита определяют методами
цементации, окисления, травления границ зерен, а также по ферритной или цементитной
сетке. По методу цементации образец доэвтектоидной стали насыщают углеродом при
930°С в течение 8 ч. При этом содержание углерода в аустените, находящемся в поверхност6
ной зоне, достигает заэвтектоидной концентрации. При последующем медленном охлажде6
нии по границам зерна аустенита выделяется вторичный цементит, образующий сетку, по ко6
торой после охлаждения определяют величину бывшего зерна аустенита.
Величину зерна определяют под микроскопом при увеличении в 100 раз и зерна, види6
мые на шлифе, сравнивают с эталонными шкалами. Величину зерна оценивают баллами.
Стали с зерном № 1-5 относят к группе крупнозернистых, а с зерном № 6-15 к мелкозерни
стым.
Превращения переохлажденного аустенита
Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры
выше Ас
3
(для доэвтектоидной стали) или ниже Ас
т
(для заэвтектоидной стали), переохла6
дить до температуры ниже А
1
, то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и пре6
терпевает превращение.
Для описания кинетики превращения переохлажденного аустенита пользуются экспери6
ментально построенными диаграммами «время – температура – степень распада» или диа
граммами изотермического превращения аустенита, т. е. превращения, протекающего при
постоянной температуре.
Для изучения изотермического превращения аустенита образцы стали нагревают до тем6
ператур, соответствующих существованию стабильного аустенита (т.е. выше критической
точки), а затем быстро переохлаждают до температуры ниже А
1
(например до 700, 600, 500°С
и т.д.), и выдерживают при этих температурах до полного распада аустенита. Степень его
распада можно определять разными методами: микроскопическим, магнитным, дилатомет
рическим и др.
Результаты исследования описываются кинетической кривой (рис. 12,а), по которой
можно оценить количество распавшегося аустенита в зависимости от времени, прошедшего с
момента начала распада.
Как видно из рис. 12,а, в течение некоторого промежутка времени (0-а
1
, 0-а
2
, 0-а
3
) рас6
пад аустенита экспериментально не фиксируется. Этот период называют инкубационным.
По окончанию инкубационного периода аустенит начинает распадаться с образованием
стабильных структур. В области повышенных температур распад протекает с образованием
перлитной структуры. Скорость распада сначала быстро увеличивается, затем постепенно за6
24
медляется. Через различные промежутки времени процесс распада постепенно затухает и,
наконец, полностью заканчивается (б
1
, б
2
, б
3
) или приостанавливается.
Рис. 12. Схема построения диаграммы изотермического превращения переохлажденного
аустенита для эвтектоидной стали: а – кинетические кривые; б – диаграмма изотермического
превращения аустенита
Для построения диаграммы изотермического превращения аустенита (рис. 12,б) нужно
отрезки времени, соответствующие началу и концу распада аустенита для каждой из иссле6
дуемых температур (t
1
, t
2
, t
3
), перенести на график, на котором по оси абсцисс откладывают
время, а по оси ординат – температуру, и одноименные точки соединить плавными кривыми.
На диаграмме изотермического превращения аустенита кривая а
1
а
2
а
3
характеризует начало
распада аустенита, а кривая б
1
б
2
б
3
показывает время, необходимое для полного распада
аустенита.
Область, лежащая левее кривой начала распада аустенита, относится к инкубационному
периоду. В интервале температур и времени, определяемых этой областью, существует пере6
охлажденный аустенит (А
п
), практически не претерпевающий заметного распада. Длитель6
ность инкубационного периода характеризует устойчивость переохлажденного аустенита.
С увеличением переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума,
и далее вновь возрастает. При температуре наименьшей устойчивости аустенита скорость
превращения очень велика. В некоторых низкоуглеродистых сталях длительность инкубаци6
онного периода при этой температуре не превышает 1,0-1,5 с.
При переохлаждении аустенита до температуры, равной или ниже мартенситной точки
(М
н
), соответствующей температуре начала превращения переохлажденного аустенита в мар6
тенсит, диффузионные процессы полностью подавляются и образование перлитной структу6
ры становится невозможным. В этом случае протекает бездиффузионное превращение аусте6
нита в структуру закаленной стали, называемую мартенситом.
В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные об6
ласти или ступени превращения: перлитную, промежуточного превращения (промежуточно6
го между перлитным и мартенситным превращением) и мартенситную.
Перлитная область в углеродистых сталях распространяется на интервал температур от
точки А
1
до изгиба изотермической диаграммы (~550°С). При этих температурах происходит
диффузионный распад аустенита с образованием структуры перлита (феррито-цементитной
смеси).
Промежуточное превращение протекает при температурах от изгиба кривой (~550°С)
до точки М
Н
. Это превращение обладает рядом особенностей, присущих как перлитному
(диффузионному), так и мартенситному (бездиффузионному) превращению. В результате
25
превращения переохлажденного аустенита образуется структура, получившая название бей
нита.
Мартенситное превращение протекает при температурах ниже температур, соответству6
ющих точке М
н
. Переохлажденный аустенит при этом бездиффузионно превращается в мар6
тенсит.
Перлитное превращение переохлажденного аустенита носит кристаллизационный ха
рактер и начинается по диффузионному механизму.
В первую очередь возникающей фазой при этом является карбид (цементит). Как прави6
ло, его зародыши образуются на границах зерен аустенита. В результате роста частиц карби6
да прилегающий к нему объем аустенита обедняется углеродом, снижает свою устойчивость
и испытывает полиморфное γ→α-превращение. Дальнейший рост ферритных пластинок ве6
дет к обогащению окружающего аустенита углеродом, что затрудняет дальнейшее развитие γ
→α-превращения. В обогащенном углеродом аустените зарождаются новые и растут ранее
возникшие пластинки цементита.
В результате образования и роста частиц карбидов вновь создаются условия для возник6
новения новых и роста имеющихся пластинок феррита. В результате происходит совместный
рост кристалликов феррита и цементита, образующих перлитную колонию (рис. 13). Размер
перлитных колоний («перлитное зерно») тем меньше, чем мельче зерно исходного аустенита
и больше степень его переохлаждения.
Рис. 13. Схемы образования перлита при разном увеличении: I – аустенит; II – образование
зародыша цементита на границе зерна аустенита; III – образование пластины феррита; IV-VI
– рост и образование новых пластин перлита (цементита и феррита); VII – перераспределение
углерода при образовании перлита; l
о
– межпластиночное расстояния
Продукты перлитного превращения имеют пластинчатое строение. Чем больше степень
переохлаждения, тем тоньше получающаяся феррито-цементитная структура, т.е. меньше ве6
личина межпластинчатого расстояния (l
о
), равного усредненной сумме толщин двух сосед6
них пластинок феррита и цементита, соответственно выше и твердость.
Пластинчатые структуры эвтектоидного типа часто определяют как перлит, сорбит и
троостит или соответственно грубо-, средне- и тонкодисперсный перлит.
Структура Перлит Сорбит Троостит
l
о
, мкм 0,6-1,0 0,25-0,3 0,1-0,15
НВ 180-250 250-350 350-450
Разделение феррито-цементитной структуры на перлит, сорбит и троостит условно, и
между этими структурами нет четкой границы. Перлит, сорбит и троостит, образующиеся
при распаде переохлажденного аустенита, являются феррито-цементитными структурны
ми составляющими, имеющими пластинчатое строение, и различающимися лишь степенью
дисперсности.
Твердость и прочность стали со структурами перлита, сорбита и троостита прямо про6
порциональна площади поверхности раздела между ферритом и цементитом. Поэтому с уве6
личением степени дисперсности феррито-цементитной структуры (уменьшением l
о
), т.е. с
26
понижением температуры его распада, твердость, временное сопротивление, пределы теку6
чести и выносливости возрастают. Максимальное значение пластичности имеет сорбит.
Изотермическое превращение аустенита в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях
отличается от превращения в эвтектоидной стали тем, что в верхнем интервале температур
сначала выделяются избыточные фазы – феррит в доэвтектоидной стали или избыточный це6
ментит в заэвтектоидной стали. Начало выделения избыточного феррита (цементита) на диа6
грамме изотермического распада отмечается дополнительной кривой.
Мартенситное превращение происходит только в случае переохлаждения аустенита до
температур, при которых диффузионные процессы становятся невозможными.
Образование мартенсита становится возможным лишь тогда, когда его свободная энер6
гия будет меньше свободной энергии аустенита. Превращение аустенита в мартенсит и
обратное превращение мартенсита в аустенит протекает в интервале температур (М
н
– М
к
),
который зависит от состава аустенита. Деформация аустенита при температуре между М
н
и
М
к
также вызывает мартенситное превращение, при этом образуется мартенсит деформа
ции.
Мартенсит является частично упорядоченным пересыщенным твердым раствором
внедрения углерода в
α
-железе. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в α-
железе при 20°С не превышает 0,002 % С, то его содержание в мартенсите может быть таким
же, как в исходном аустените, т.е. достигать 2,14 % С. Атомы углерода занимают октаэдри6
ческие поры в решетке α-железа (мартенсите) и сильно ее искажают. Мартенсит имеет тет
рагональную решетку с периодами с и а. При увеличении содержания углерода степень тет6
рагональности (отношение с/а) увеличивается.
Кристаллы мартенсита зарождаются в дефектных участках и в тех объемах аустенита,
которые обеднены углеродом. Скорость образования и роста кристаллов мартенсита очень
велика (~10
3
м/с). Поскольку мартенситное превращение осуществляется путем перемещения
атомов на малые расстояния, оно происходит с большой скоростью даже при температурах,
близких к абсолютному нулю.
Превращение аустенита в мартенсит происходит при непрерывном понижении темпера
туры. Развитие превращения при этом протекает в результате образования новых кристал6
лов мартенсита. Кристаллы мартенсита ориентационно связаны с решеткой аустенита, поэто6
му скорость их роста в разных кристаллографических направлениях неодинакова. Вслед6
ствие этого кристаллы мартенсита имеют форму пластин. Различают два основных морфоло6
гических типа мартенситных кристаллов: пакетный (или реечный) и пластинчатый (двойни
кованный).
Пакетный мартенсит образуется в углеродистых и легированных конструкционных
сталях (содержащих не более 0,5 % С). Кристаллы пакетного мартенсита имеют форму тон6
ких (0,1-0,2 мкм) пластин (реек). Группа параллельных кристаллов образует вытянутый па6
кет (рис. 14,а). При увеличениях светового микроскопа отдельные кристаллы (монокристал6
лы) мартенсита в пакете не видны и выявляются лишь границы пакетов. Реечные кристаллы
мартенсита обычно разделены прослойками остаточного аустенита.
Рис. 14. Схема пакетного (а) и пластинчатого (б) мартенсита
27
Пластинчатый (двойникованный) мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях
(более 0,8 % С), имеющих низкие температуры начала и окончания мартенситного превраще6
ния. Кристаллы пластинчатого мартенсита в плоскости шлифа они могут иметь вид игл (рис.
14,б).
Размеры кристаллов мартенсита во многом определяются величиной зерна исходного
аустенита. Кристаллы мартенсита (особенно те, которые образуются вблизи М
н
) тем круп6
нее, чем больше зерно аустенита.
Мартенситное превращение обычно начинается сразу при температуре М
н
и протекает
при непрерывном охлаждении в интервале температур. Чтобы мартенситное превращение
развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже температуры М
н
. По достиже6
нии определенной для каждой стали температуры превращение аустенита в мартенсит пре6
кращается. Температуру окончания мартенситного превращения обозначают М
к
.
Положение точек М
н
и М
к
не зависит от скорости охлаждения и обусловлено химическим
составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже температура точек М
н
и
М
к
(рис. 15,а). Все легирующие элементы, за исключением кобальта и алюминия, понижают
точки М
а
и М
к
(рис. 15,б).
Рис. 15. Влияние содержания углерода (а) и легирующих элементов (б) на температуру мар6
тенситных точек М
н
и М
к
В закаленной стали, особенно в стали, имеющей точку М
к
ниже 20°С, присутствует
остаточный аустенит (А
ост
). Его количество тем больше, чем ниже температура точек М
н
и
М
к
, т.е. чем выше содержание в аустените углерода и легирующих элементов.
Характерной особенностью мартенсита является его высокая твердость и прочность.
Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода, при этом также
возрастает склонность его к хрупкому разрушению. Мартенсит, содержащий более 0,35-0,4
% С, обладает низкой пластичностью и разрушается хрупко.
Мартенсит по сравнению с другими структурными составляющими стали и особенно с
аустенитом имеет наибольший удельный объем: удельный объем аустенита при содержании
0,2-1,4 % С составляет 0,1223-0,1253 см
3
/г, а мартенсита – 0,1271-0,1306 см
3
/г. Увеличение
удельного объема при образовании мартенсита является одной из основных причин возник6
новения при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий
или даже появление трещин. Наибольшее увеличение объема наблюдается у эвтектоидной
стали, поэтому она наиболее чувствительна к закалочным трещинам и деформациям.
28
Промежуточное (бейнитное) превращение протекает в температурной области между
перлитным и мартенситным превращениями (~550°С – М
н
). В результате промежуточного
превращения образуется бейнит (Б), представляющий собой структуру, состоящую из α-
твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение и несколько пересыщенного
углеродом, и частиц карбидов.
Бейнитное (промежуточное) превращение переохлажденного аустенита сочетает в себе
элементы перлитного и мартенситного превращений: диффузионное перераспределение уг6
лерода в аустените и между продуктами его распада и сдвиговое кооперативное мартенсит6
ное превращение.
Бейнитное превращение протекает при температурах, когда скорость самодиффузии же6
леза и диффузия легирующих элементов практически невозможна, а скорость диффузии уг6
лерода еще достаточно высока. Это и предопределяет особенности бейнитного превращения.
Как и мартенситное превращение, промежуточное (бейнитное) превращение не идет до
конца. Нераспавшийся при изотермической выдержке аустенит при последующем охлажде6
нии будет в той или иной степени претерпевать мартенситное превращение.
Получающийся в результате распада аустенита в нижней области промежуточного
превращения (~350°С – М
н
) бейнит обеспечивает высокий уровень механических свойств:
прочности, пластичности и вязкости. По сравнению с продуктами распада аустенита в пер6
литной области (сорбит, троостит) нижний бейнит имеет более высокую твердость и проч6
ность при высокой пластичности и вязкости.
Основанная на промежуточном превращении термическая обработка (изотермическая
закалка) на нижний бейнит обеспечивает высокий комплекс механических свойств и, что
особенно важно, высокую конструктивную прочность, поэтому ее широко используют в про6
мышленности для упрочнения ответственных деталей машин.
Изотермическое превращение аустенита в легированных сталях
На изотермической диаграмме для легированных сталей (рис. 16) наблюдается два ми6
нимума устойчивости переохлажденного аустенита, соответствующие перлитному и бейнит6
ному (промежуточному) превращениям.
Рис. 16. Диаграммы изотермического распада переохлажденного
аустенита в легированной стали: а – легированная
доэвтектоидная сталь; б – легированная заэвтектоидная сталь
Оба превращения разделены областью относительной устойчивости аустенита. В случае
доэвтектоидной или заэвтектоидной легированных сталей на диаграмме изотермического
распада переохлажденного аустенита, так же как и углеродистой стали, появляется добавоч6
29
ная линия, соответствующая началу выделения избыточного легированного феррита или кар6
бида.
Промежуточное прекращение в легированных сталях не идет до конца. Часть аустенита,
обогащенного углеродом, при изотермической выдержке не распадается и при дальнейшем
понижении температуры может лишь частично превратиться в мартенсит или даже не пре6
терпевать этого превращения. Таким образом, в результате промежуточного превращения
легированная сталь приобретает структуру, состоящую из бейнита и некоторого количества
мартенсита и остаточного аустенита.
Все легирующие элементы (за исключением кобальта) увеличивают устойчивость пере6
охлажденного аустенита в области перлитного и бейнитного превращений и на диаграмме
изотермического превращения сдвигают кривые начала и конца распада вправо, т. е. в сторо6
ну большего времени выдержки. Причина высокой устойчивости переохлажденного аустени6
та в области перлитного превращения легированной стали состоит в том, что в результате
влияния легирующих элементов тормозится γ→α-превращение и образуются специальные
карбиды. Для получения такой структуры должно пройти диффузионное перераспределение
не только углерода, но и легирующих элементов.
Карбидообразующие элементы переходят в карбиды, а элементы, не образующие карби6
дов, – в феррит. Замедление распада аустенита в перлитной зоне объясняется очень малой
скоростью диффузии легирующих элементов в аустените и уменьшением скорости диффу6
зии углерода под влиянием карбидообразующих элементов.
Особенно повышается устойчивость переохлажденного аустенита при одновременном
введении в сталь нескольких легирующих элементов (например Cr и Mo, Mn и Сr и т. д.), при
том в повышенном количестве.
Легирующие элементы влияют неодинаково на устойчивость аустенита в перлитной и
промежуточной областях. Чаще в стали с небольшим содержанием углерода максимальная
скорость превращения соответствует промежуточной области (рис. 16,а), а в сталях с высо6
ким содержанием углерода – интервалу температур перлитного превращения (рис. 16,б).
Диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита позволяют
определять, какие превращения возможны в выбранной стали, при каких температурах они
протекают и какова скорость их развития при данной температуре.
Превращение аустенита при непрерывном охлаждении
При реальных скоростях охлаждения возрастает степень переохлаждения аустенита от6
носительно равновесной точки А
1
(рис. 17). Чем больше скорость охлаждения и ниже темпе6
ратура распада аустенита, тем дисперснее образующаяся феррито-цементитная структура,
подобно тому, как это наблюдалось при изотермическом распаде аустенита.
30