Превращение аустенита при непрерывном охлаждении. Критическая скорость охлаждения и факторы, влияющие на нее

Распад аустенита при непрерывном охлаждении можно проиллюстрировать, наложив кривые охлаждения на диаграмму изотермического распада переохлажденного аустенита рис. 9.9. а)

При увеличении скорости охлаждения возрастает степень переохлаждения аустенита относительно Аr₁, понижается температура начала распада аустенита и следовательно дисперснее получаемая феррито-цементитная смесь. При v₁ образуется перлит закалки, при v₂ – сорбит закалки, при v₃ – троостит закалки, v₁< v₂< v₂ рис. 9.9. а).

Минимальна скорость охлаждения при которой весь аустенит переохлаждается до М_н и превращается в мартенсит называется критической скоростью закалки.

Критическая скорость закалки неодинакова для разных сталей и зависит от устойчивости аустенита, определяемой составом стали. Чем больше устойчивость аустенита, тем меньше критическая скорость закалки.

Рис. 9.9. Наложение кривых охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита (а), схема влияния скорости охлаждения на температуру превращения аустенита (б).

Рис. 9.10. Термокинетические диаграммы превращения переохлажденного аустенита:

а – для эвтектоидной стали; б – для доэвтектоидной легированной стали.

Для определения режимов термической обработки на практике используют термокинетические диаграммы превращения переохлажденного аустенита Рис. 9.10. Последние непосредственно характеризуют протекание фазовых превращений при непрерывном охлаждении. Сравнивая диаграмму изотермического распада переохлажденного аустенита и термокинетическую диаграмму превращения переохлажденного аустенита видно, что соответствующие линии на термокинетической диаграмме лежат правее и ниже аналогичных линий диаграммы изотермического распада аустенита рис. 9.10.

4. Превращение при нагреве закаленной стали.

Имеет место при нагреве закаленных сталей. Превращение связано с диффузией углерода.

Мартенсит закалки неравновесная структура, сохраняющаяся при низких температурах. Для получения равновесной структуры изделия подвергают отпуску.

При нагреве закаленной стали происходят следующие процессы.

При нагреве до 200° С происходит перераспределение углерода в мартенсите. Образуются пластинки ε – карбидов толщиной несколько атомных диаметров. На образование карбидов углерод расходуется только из участков мартенсита, окружающих кристаллы выделившихся карбидов. Концентрация углерода на этих участках резко падает, тогда как удаленные участки сохраняют концентрацию углерода. В стали присутствуют карбиды и два α-твердых раствора мартенсита (с высокой и низкой концентрацией углерода. Такой тип распада мартенсита называется прерывистым. Скорость диффузии мала, карбиды не увеличиваются, распад мартенсита сопровождается зарождением новых карбидных частиц. Таким образом, имеем структуру с неравномерным распределением углерода – это мартенсит отпуска. При этом несколько снижается тетрагональность решетки.

При нагреве до 300° С идет рост образовавшихся карбидов. Карбиды выделяются из мартенсита и он обедняется углеродом. Диффузия углерода увеличивается и карбиды растут в результате притока углерода из областей твердого раствора с высокой его концентрацией. Кристаллическая решетка карбидов когерентно связана с решеткой мартенсита.

В высокоуглеродистых сталях аустенит остаточный превращается в мартенсит отпуска. Наблюдается снижение тетрагональности решетки и внутренних напряжений. Структура – мартенсит отпуска:

При нагреве до 400° С весь избыточный углерод выделяется из Fe_a. Карбидные частицы полностью обособляются, приобретают строение цементита, и начинают расти. Форма карбидных частиц приближается к сферической.

Высокодисперсная смесь феррита и цементита называется троостит отпуска;

При нагреве выше 400° С изменение фазового состава не происходит, изменяется только микроструктура. Имеет место рост и сфероидизация цементита. Наблюдается растворение мелких и рост крупных карбидных частиц.

При температуре 550…600° С имеем сорбит отпуска. Карбиды имеют зернистое строение. Улучшаются свойства стали.

При температуре 650…700° С получают более грубую ферритно-цементитную смесь – перлит отпуска (зернистый перлит).

Старение стали.

Отпуск применяется к сплавам, которые подвергнуты закалке с полиморфным превращением.

К материалам, подвергнутым закалке без полиморфного превращения, применяется старение.

Закалка без полиморфного превращения – термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние, свойственное сплаву при более высоких температурах (пересыщенный твердый раствор).

Старение – термическая обработка, при которой главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора.

В результате старения происходит изменение свойств закаленных сплавов.

В отличие от отпуска, после старения увеличиваются прочность и твердость, и уменьшается пластичность.

Старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсионных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений.

В стареющих сплавах выделения из твердых растворов встречаются в следующих основных формах:

· тонкопластинчатой (дискообразной);

· равноосной (сферической или кубической);

· игольчатой.

Форма выделений определяется конкурирующими факторами: поверхностной энергией и энергией упругой деформации, стремящимися к минимуму.

Поверхностная энергия минимальна для равноосных выделений. Энергия упругих искажений минимальна для выделений в виде тонких пластин.

Основное назначение старения – повышение прочности и стабилизация свойств.

Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.

Естественным старением называется самопроизвольное повышение прочности и уменьшение пластичности закаленного сплава, происходящее в процессе его выдержки при нормальной температуре.

Нагрев сплава увеличивает подвижность атомов, что ускоряет процесс.

Повышение прочности в процессе выдержки при повышенных температурах называется искусственным старением.

Предел прочности, предел текучести и твердость сплава с увеличением продолжительности старения возрастают, достигают максимума и затем снижаются (явление перестаривания)

При естественном старении перестаривания не происходит. С повышением температуры стадия перестаривания достигается раньше.

Если закаленный сплав, имеющий структуру пересыщенного твердого раствора, подвергнуть пластической деформации, то также ускоряются процессы, протекающие при старении – это деформационное старение.

Старение охватывает все процессы, происходящие в пересыщенном твердом растворе: процессы, подготавливающие выделение, и сами процессы выделения.

Для практики большое значение имеет инкубационный период – время, в течение которого в закаленном сплаве совершаются подготовительные процессы, когда сохраняется высокая пластичность. Это позволяет проводить холодную деформацию после закалки.

Если при старении происходят только процессы выделения, то явление называется дисперсионным твердением.

После старения повышается прочность и снижается пластичность низкоуглеродистых сталей в результате дисперсных выделений в феррите цементита третичного и нитридов.

Старение является основным способом упрочнения алюминиевых и медных сплавов, а также многих жаропрочных сплавов.