9.6. Зростання аустенітного зерна
Початок перліто-аустенітного перетворення супроводжується утворенням перших зерен аустеніту. Перші зерна аустеніту утворюються на межі між феритом та цементитом - структурними складовими перліту. Перетворення починається з утворення безлічі дрібних зерен. Розмір цих зерен характеризує так звану величину початкового зерна аустеніту.
Подальше нагрівання (або витримка) після перетворення викликає зростання аустенітних зерен. Зростання зерна - мимовільно протікає процес, так як при цьому зменшується сумарна поверхня зерен (зменшується поверхнева енергія), висока температура забезпечує лише достатню його швидкість.
Розрізняють два типи сталей: спадково дрібнозернисту і спадково крупнозернисту; перша характеризується малою схильністю до зростання зерна, друга - підвищеною схильністю.
Перехід через критичну точкуА1супроводжується різким зменшенням зерна (рис.50). При подальшому нагріванні зерно аустеніту в дрібнозернистій сталі не росте до 950-1000 ° С, після чого усуваються фактори, що перешкоджають зростанню, і зерно починає швидко зростати.
У крупнозернистої сталі ніщо не перешкоджає зростанню зерна, яке починається невдовзі після переходу через критичну точку.
Під спадковою зернистістю слід мати на увазі схильність аустенітного зерна до зростання.
Мал. 50. Схема зміни розміру зерна залежно від нагріву в аустенітній області
Розмір зерна, отриманий у сталі в результаті тієї чи іншої термічної обробки, - це так званедійснезерно.
Таким чином, розрізняють:
1) початкове зерно - розмір зерна аустеніту в момент закінчення перліто-аустенітного перетворення; 2) спадкове (природне)зерно - схильність аустенітних зерен до зростання; 3) дійсне зерно - розмір зерна аустеніту у даних конкретних умовах.
Розміри перлітних зерен залежить від розмірів зерен аустеніту, у тому числі вони утворилися. Чим більше зерна аустеніту, тим, як правило, більшого розміру перлітні зерна, що утворюються з них (рис.50). Аустенітні зерна ростуть тільки при нагріванні (при подальшому охолодженні вони не подрібнюються), тому максимальна температура нагрівання сталі в аустенітному стані та її спадкова зернистість визначають остаточний розмір зерна.
Узбуйнення зерна аустеніту в сталі майже не відбивається на механічних властивостях таких, як твердість, опір розриву, межа плинності, відносне подовження, але сильно знижує ударну в'язкість.
9.7. Розпад аустеніту
Перетворення аустеніту на перліт полягає в розпаді аустеніту — твердого розчину вуглецю в γ-залізі, на майже чисте α-желеео і цементит:
Перетворення може початися не в точціА1,а при деякому переохолодженні, коли вільна енергія ферито-карбідної суміші (перліту) виявиться меншою, ніж вільна енергія аустеніту.
Чим нижча температура перетворення, тим більше переохолодження, тим більша різниця вільних енергій, тим швидше відбувається перетворення.
У разі перлітного перетворення утворюються фази, що різко відрізняються за складом від вихідної: ферит, що майже не містить вуглецю, і цементит, що містить 6,67% С. Тому перетворення аустеніт → перліт супроводжується дифузією, перерозподілом вуглецю. Швидкість дифузії різко зменшується зі зниженням температури, отже, з цього погляду збільшення переохолодження має уповільнювати перетворення.
Таким чином, при збільшенні переохолодження (зниженнятемператури перетворення) вступають у боротьбу два фактори, що прямо протилежно впливають на швидкість перетворення.
Зниження температури (збільшення переохолодження), з одного боку, збільшує різницю вільних енергій аустеніту та перліту, що прискорює перетворення, а з іншого, - викликає зменшення швидкості дифузії вуглецю,а це уповільнює перетворення. Сумарна дія обох факторів призводить до того, що спочатку зі збільшенням переохолодження швидкість перетворення зростає, досягає при якомусь значенні переохолодження максимуму і потім зменшується.
Зі сказаного випливає, що як тільки створені належні умови, зароджуються центри кристалізації і з них ростуть кристали. Процес цей відбувається в часі і може бути зображений у вигляді так званої кінетичної кривої перетворення, що показує кількість перліту, що утворився в залежності від часу, що пройшов з початку перетворення (рис. 51).
Початковий період характеризується дуже малою швидкістю перетворення - це так званийінкубаційний період,абоперіод інертності. відповідає утворенню 1% перліту). На кривий ступінь перетворення час (рис. 51,а) видно, що швидкість перетворення зросте в міру того, як розвивається перетворення. Максимум швидкості перетворення відповідає приблизно тому часу, коли перетворилося
50%аустеніту. Надалі швидкість перетворення зменшується і, нарешті, перетворення закінчується (крапкаb).
Мал. 51:а- кінетична крива перетворення аустеніту на перліт;б- кінетичні криві перетворення аустеніту на перліт при різних температурах (t1&tt2>.)
Швидкість перетворення залежить від ступеня переохолодження. При малих і значних переохолодженнях перетворення відбувається повільно, оскільки малі значення швидкості зростання кристалів і числа центрів кристалізації, що утворюються (рис. 51,б); у першому випадку — через малу різницю вільних енергій, у другому — через малу дифузійну рухливість атомів. При максимальній швидкості перетворення кінетичні криві йдуть круто вгору і перетворення закінчується за малий відрізок часу.
На рис. 51,бпоказана серія кінетичних кривих, подібних до наведеної на рис. 51,а, але які відносяться до різних температур (різним ступеням переохолодження).
При високій температуріt1, (малий ступінь переохолодження) перетворення розвивається повільно і тривалість інкубаційного періоду (відрізок від початку координат до точкиa) та час перетворення (відрізок від початку координат до точкиb), т. Е. При збільшенні ступеня переохолодження, швидкість перетворення зростає, і тому тривалість інкубаційного періоду і тривалість всього перетворення скорочуються. Максимум швидкості перетворення відповідає температуріt4,подальше зниження температури призведе до зменшення швидкості перетворення.
Якщо нанести на діаграму відрізки кривих аустеніто-перлітного перетворення, що відповідають початку перетворення (час «інкубаційного періоду») і кінцю перетворення, тобто точкиаіbрозташувати по вертикалі принаймні зниження температури, отримаємо діаграму, наведену на рис. 52.
Крива початку перетворення в залежності від ступеня переохолодження покаже час, коли перетворення практично не спостерігається, тобто коли маємо переохолоджений аустеніт. Мірою йогонестійкості може служити відрізок від осі ординат до кривої початку перетворення при 500 - 600 °С (температураt4), коли цей відрізок має мінімальні розміри, тобто аустеніт починає перетворюватися на перліт через найкоротший проміжок часу.
Механізм цього перетворення відрізняється від механізму утворення перліту і розглядатиметься нижче.
На рис. 52 показано час перетворення аустеніту перліт в залежності від ступеня переохолодження, тобто перетворення переохолодженого аустеніту при постійній температурі. Тому такі діаграми зазвичай називають діаграмами ізотермічного перетворення аустеніту. Криві на діаграмі ізотермічного перетворення аустеніту мають вигляд літери С, тому їх часто називають С-подібними або просто С - кривими.
Властивості та будову продуктів перетворення аустеніту залежать від температури, за якої відбувався процес його розпаду (рис. 53).
При високих температурах, тобто при малих ступенях переохолодження, виходить досить груба (легко диференційована під мікроскопом) суміш фериту та цементиту. Ця суміш називається перлітом (рис. 53,а).
Мал. 52. Діаграма ізотермічного перетворення аустеніту (побудована за кривими ізотермічного перетворення на рис. 51)
При нижчих температурах і, отже, при більших ступенях переохолодження дисперсність структур зростає, і твердість продуктів підвищується. Такий тоншої будови перліт отримав назву сорбіту (рис. 53,б).
Мал. 53. Структура евтектоїдної сталі залежно від температури розпаду аустеніту:а— перліт, розпад при 700 °С, х 7500;б-сорбіт, розпад при 650 про С, х7500;в- троостит, розпад при 600 про С, х 15 000
При ще нижчій температурі (що відповідає вигину С-кривий) дисперсність продуктів ще більше зростає, і диференціювати під оптичним мікроскопом окремі складові ферито-цементитної суміші стає майже неможливо, але при спостереженні під електронним мікроскопом пластинчаста будова виявляється цілком чітко (рис. 53,в). Така структура називаєтьсятрооститом.
Таким чином, перліт,сорбіт і троостит - структури з однаковою природою (ферит + цементит), що відрізняються ступенем дисперсності фериту та цементиту.
Перлітні структури можуть бути двох типів: зернисті (цементит у них знаходиться у формі зернят) або пластинчасті (у формі пластинок).
Однорідний (гомогений) аустеніт завжди перетворюється на пластинчастий перліт. Отже, нагрівання до високої температури, що створює умови для утворення більш однорідної структури, сприяє появі пластинчастих структур. Неоднорідний аустеніт при всіх ступенях переохолодження дає зернистий перліт, отже, нагрівання до невисокої температури (для заевтектоїдної сталі нижчеАс3) призводить при охолодженні до утворення зернистого перліту. Ймовірно, частинки, що залишилися не розчиненими в аустеніті, є додатковими центрами кристалізації, сприяють утворенню зернистого цементиту.
Таким чином, при вихідному нагріванні до 900 °С вийшов пластинчастий перліт, причому нижча температура перетворення дає дисперснішу структуру. У тій же сталі при тих же температурах перетворення, але після невисокого нагріву (780 ° С) вийшов зернистий перліт. Розмір зерен цементиту дрібніший за нижчої температури перетворення.
Отже, розмір цементитних частинок залежить від температури перетворенняаустеніту, а форма цементиту – від температури нагріву (температури аустенізації).
Перетворення вище і нижче вигину С-кривої відрізняються за кінетикою перетворення та формою продуктів розпаду.
Вище вигину С-кривий, тобто при малих переохолодженнях, перетворення починається з небагатьох центрів, і кристали перліту ростуть до зіткнення. Нижче вигину С-кривої виникає голчаста мікроструктура, утворюються голки-пластини, зростання яких обмежене,
і перетворення відбувається переважно шляхом появи нових кристалів.
Залежно від вмісту вуглецю та ступеня переохолодження існують такі області перетворення аустеніту:
I - перетворення аустеніт → перліт;
II - попереднє виділення фериту і потім перетворення аустеніт → перліт;
III - попереднє виділення цементиту і потім перетворення аустеніт → перліт;
IV - перетворення аустеніт → бейніт;
VII - переохолоджений аустеніт зберігається без перетворення.
Після розгляду процесу перетворення аустеніту при постійній температурі та різних ступенях переохолодження можна перейти до розгляду процесу розпаду аустеніту при безперервному охолодженні, коли сталь, нагріта до аустеніту, охолоджується з різною швидкістю.
Рис.54. Накладення на діаграму ізотермічного розпаду аустеніту кривих охолодження. Схеми структур та його твердість
Р
Діаграма ізотермічного розпаду аустеніту будується в координатах температура-час; у цих координатах зображуються і криві охолодження.
Накладемо на діаграму ізотермічного розпаду аустеніту криві охолодження (рис. 54).
Лініяv1, що характеризує повільне охолодження, перетне лінії діаграми в точкахa1таb1. При цих температурах, що відповідають положенням точокa1таb1, і відбудеться перетворення. Продуктом перетворення буде перліт з низькою твердістю (великопластинчастий).
При більш швидкому охолодженні кривіv2іv3перетинають лінії діаграми за більш низьких температур (точкиa2таb2,a3таb3), утворюючи більш дисперсні продукти.
З цієї побудови видно, що чим більша швидкість охолодження, тим при нижчій температурі відбудеться перетворення, і тому дисперснішими і твердими будуть продукти перетворення.
Отже, щоб загартувати сталь, її слід охолоджувати з такою швидкістю, щоб не встигли пройти процеси розпаду аустеніту у верхньому районі температур.