Образование аустенита при нагреве стали У8.

При многих видах термической обработки сталь нагревают до температур, соответствующих существованию аустенита (процесс аустенитизации).

Образование аустенита при нагреве является диффузионным процессом и подчиняется основным положениям теории кристаллизации.

При нагреве эвтектоидной стали (0,8% С) несколько выше критической точки А1 (727 °С) перлит (феррито-карбидная структура) превращается в аустенит:

ФP + Fе3С → АS.

Превращение состоит из двух одновременно протекающих процессов: полиморфного α → γ-перехода и растворения в аустените цементита.

При нагреве доэвтектоидной стали выше точки А1 после превращения перлита в аустенит образуется двухфазная структура – аустенит и феррит.

При дальнейшем нагреве в интервале температур А1–А3феррит постепенно растворяется в аустените. При температуре А3 феррит исчезает, а концентрация углерода в аустените соответствует содержанию его в стали. Аналогично протекает превращение и в заэвтектоидной стали. При температуре несколько выше А1 (727 °С) перлит превращается в аустенит, содержащий 0,8 % С. В интервале температур А1–Асm происходит растворение избыточного цементита. Выше температуры Асm будет только аустенит, содержание углерода в котором соответствует его содержанию в стали.

Аустенит при температурах несколько выше Ас1 (727 °С) содержит ~ 0,8 % С. Зародыши аустенита образуются на границе раздела феррита и цементита (рис. 4.15, в), где наличие дефектов уменьшает работу образования зародыша аустенита. При росте зародыша когерентность α- и γ-решеток нарушается, сдвиговый механизм заменяется нормальным механизмом роста и зерна аустенита приобретают равноосную форму. Образовавшийся аустенит неоднороден по содержанию углерода. В участках, прилегающих к частицам цементита, концентрация углерода в аустените выше (точка бна рис. 4.15, а), чем в участках, прилегающих к ферриту (точка в на рис. 4.15, а).

Под влиянием этого градиента перепада концентрации происходит диффузия атомов углерода в аустените в направлении от границы с цементитом к участкам, граничащим с ферритом, что приводит к нарушению равновесия на межфазных поверхностях между аустенитом и указанными фазами. Восстановление равновесия достигается в результате дальнейшего растворения цементита в аустените и перехода атомов углерода в феррит, что облегчает превращение его в аустенит.

Мартенситное превращение при охлаждении аустенита.

При очень высоких степенях переохлаждения аустенита резко снижается диффузионная подвижность атомов. (В частности, у эвтектоидной стали она близка к нулю при температуре 240°С). При таких температурах g-железо превращается в a-железо, а весь растворенный в g-железе углерод не успевает покинуть раствор и перенасыщает a-железо. Перенасыщенный раствор углерода в a-железе называют мартенситом.

Мартенсит - неравновесная фаза. В равновесии a-железо растворяет максимум 0,006% углерода, а мартенсит может содержать углерода столько, сколько его было в исходном аустените. В результате этого решетка a-железа теряет кубичность и становится тетрагональной. Из-за этого появляются избыточные внутренние напряжения, и мартенсит оказывается очень твёрдой и хрупкой фазой.

Мартенситное превращение наблюдается при скоростях охлаждения аустенита выше критической (vкр). При таких скоростях охлаждения удаётся обойти зону перлитного превращения 3 и попасть в зону мартенситного превращения 5 (рис. 7.2.).

Мартенситное превращение начинается при температуре МН и заканчивается при температуре МК. Его особенностью является то, что оно идёт только при непрерывном охлаждении. Остановка в охлаждении приводит к стабилизации аустенита, и последующее охлаждение уже не приводит к его распаду. Превращение имеет бездиффузионный, сдвиговый характер. Поэтому кристаллическая решетка мартенсита оказывается строго ориентированной по отношению к решетке исходной фазы - аустенита. Превращение идёт с большой скоростью (≈1000 м/с). Зёрна мартенсита растут до пересечения с границами зёрен аустенита, а последующие его пластины вырастают под углом 60° или 120° к первоначальным.

7.5 Превращения при отпуске закалённых сталей

Структура стали после закалки является неравновесной. Она содержит метастабильную фазу – мартенсит, для которого характерна искажённая кристаллическая решётка и избыточные внутренние напряжения. При отпуске, предполагающем нагрев закалённых сталей, структура становится более равновесной.

Отпуск проводят при температурах ниже температур фазовых превращений. При нагреве закалённых сталей до температур порядка 200°С избыточный углерод частично выходит из мартенсита и образуются необособленные карбиды. В результате тетрагональность решётки мартенсита уменьшается и получается мартенсит отпуска. Он отличается меньшей твёрдостью и большей пластичностью. При температуре нагрева стали порядка 400°С избыточный углерод полностью покидает мартенсит и образует цементит. В результате формируется структура троостита отпуска (т.е. мелкозернистая смесь феррита с цементитом). При нагреве закалённых сталей до температур порядка 600°С наблюдается укрупнение (путём объединения) зёрен образующего цементита, в результате формируется структура сорбита отпуска. Сорбит и троостит отпуска отличаются от обычного пластинчатого сорбита и троостита зернистым строением. Такая структура обеспечивает сталям более высокую вязкость и пластичность.