Главная Обратная связь

Дисциплины:






Рост зерна аустенита при нагреве



Начало перлито – аустенитного превращения сопровождается образованием первых зерен аустенита, которые образуются на границе между ферритом и перлитом. Так как эта граница весьма разветвлена, то превращение начинается с образования множества мелких зерен (рис. 7). Размер этих зерен характеризует так называемую величину начального зерна аустенита.

 

Рис. 7. Схема изменения зерен аустенита перлита при нагреве и охлаждении

 

Дальнейший нагрев (или выдержка) по окончании превращения, вызывает рост аустенитных зерен. Рост зерна – самопроизвольно протекающий процесс, т.к. при этом уменьшается суммарная поверхность зерен (уменьшается поверхностная энергия), высокая температура обеспечивает лишь достаточную его скорость.

Различают два типа сталей: наследственно мелкозернистую и наследственно крупнозернистую; первая характеризуется малой склонностью к росту зерна, вторая – повышенной склонностью (рис. 8).

 

Рис. 8. Рост зерна аустенита при нагреве природной

мелкозернистой (б) и природной мелкозернистой (а) стали:

1 – диаметр исходного зерна перлита; 2 – диаметр начального зерна

 

Переход через критическую точку А1 сопровождается резким уменьшением зерна (рис. 8). При дальнейшем нагрева зерно аустенита в мелкозернистой стали не растет до 950 – 1000оС, после чего устраняются факторы, препятствующие росту, и зерно начинает быстро расти. У крупнозернистой стали ничто не препятствует росту зерна, который и начинается вскоре после перехода через критическую точку.

Под наследственной зернистостью следует подразумевать склонность аустенитного зерна к росту. Сталь раскисленная только ферромарганцем (кипящая сталь) или ферромарганцем и ферросилицием – наследственно крупнозернистая сталь, а раскисленная алюминием – мелкозернистая. При раскислении стали алюминием, титаном, РЗМ, ЩЗМ в жидком или твердом состоянии выделяется большое количество частиц AIN и TiN, которые тормозят рост зерна аустенита. После растворения этих частиц при температуре 1050 – 1100оС происходит интенсивный рост зерна. Сталь, раскисленная Аналогично действуют трудно растворимые карбиды, нитриды ванадия циркония.

Таким образом различают:

1. Начальное зерно – размер зерна аустенита в момент окончания превращения П→А;

2. Наследственное (природное) зерно – склонность аустенитных зерен к росту;

3. Действительное зерно – размер зерна в данных конкретных условиях.

 

 

 

Рис. 9. Рост зерна аустенита в стали в зависимости от

исходной структуры: а –перлитной; б –мартенситной (бейнитной)

 

На свойства стали влияет только действительный размер зерна, наследственный – влияния не оказывает. Существует ряд способов выявления бывшего аустенитного зерна: метод травления специальными растворами, метод вакуумной микроскопии, метод цементации.



Перегрев и пережог стали

Перегреву стали соответствует образование крупного зерна. В большинстве случаев перегрев на изломах обнаруживается в виде крупнозернистого блестящего излома. Перегрев устраняется при помощи отжига и нормализации.

Пережог стали образуется при излишне высоких температурах нагрева в окислительной среде. По границам зерен начинается окисление и оплавление примесей и основного металла. При этом снижается прочность и пластичность металла. Пережженный металл разрушается при ковке и штамповке и является неустранимым дефектом.

 

Распад аустенита

Превращение аустенита в перлит заключается в распаде аустенита – твердого раствора углерода в γ-железе, на почти чистое α-железо и цементит:

Превращение начнется при некотором переохлаждении несколько ниже точки А1. Чем ниже температура превращения, чем больше переохлаждение, тем больше разность свободных энергий, тем быстрее происходит превращение.

Превращение сопровождается перераспределением углерода. так как образуются две фазы совершенно различные по содержанию углерода феррит и цементит. Следовательно, превращение А→П связано с диффузией, скорость которой уменьшается при понижении температуры превращения.

Таким образом на процесс превращения А→П оказывает влияния два фактора, которые при переохлаждении прямо противоположно влияют на процесс распада: разность свободных энергий (ускоряет процесс) и скорость диффузии (замедляет процесс) (рис. 10).

Рис. 10. Скорость распада аустенита (сплошная линия) в

зависимости от степени переохлаждения (температуры)

 

Суммарное действие перечисленных факторов приводит к тому, что вначале с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает. Достигает при каком-то значении переохлаждения максимума и затем убывает (сплошная кривая на рис. 10).

При 727оС (А1) и ниже 200оС (d) равна нулю, так как в первом случае равна нулю разность свободных энергий, а во втором - равна нулю (точнее недостаточна) скорость диффузии углерода. Процесс образования перлита – это процесс зарождения центра перлита и роста перлитных кристаллов, т.е. процесс образования центров кристаллизации (ч.ц.) перлита и скорость их роста (с.к.) (рис11).

 

Рис.11. Значения с.к. и ч.ц. в зависимости от температуры

 

Таким образом, как только созданы надлежащие условия, зарождаются центры кристаллизации и из них растут кристаллы. Процесс это происходит во времени и из них растут кристаллы. Процесс происходит во времени и может быть изображен в виде так называемой кинетической кривой превращения, показывающей количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения (рис. 12).

Рис. 12. Кинетическая кривая превращения А→П

 

Начальный период характеризуется весьма малой скоростью превращения – инкубационный период, или период инертности. Точка а показывает момент, когда обнаруживается начало превращения (~1% А). На кривой видно, что скорость превращения возрастает, мах значение скорость превращения соответствует распаду 50% аустенита. Далее скорость превращения уменьшается, превращение заканчивается в точке в. Скорость превращения зависит от степени переохлаждения (рис. 13).

Рис. 13. Кинетические кривые превращения А→П при разных

температурах (t1>t2>t3>…)

 

На рис. 13 приведена серия кинетических кривых, относящихся к разным температурам. Если нанести на диаграмму отрезки кривых аустенито-перлитного превращения, соответствующие началу и концу превращения (точки а и в) и расположить их по вертикали, то получим диаграмму, приведенную на рис.14.

На рис. 14 приведена диаграмма изотермического превращения аустенита, т.е. диаграмма превращения переохлажденного аустенита при постоянной температуре (так называемая С – образная или просто С – кривая).

 

Рис. 14. Диаграмма изотермического превращения аустенита

.

Свойства и строение продуктов превращения зависят от температуры превращения (рис. 14).

 

Рис. 14. Структура эвтектоидной стали в зависимости от температуры распада аустенита:

а – перлит (750оС), х7500; б –сорбит (650оС), х7500; в – троостит (600оС), х15000

 

Перлит, сорбит и троостит – структуры с одинаковой природой (Ф+Ц), отличающиеся степенью дисперсности.

Образующиеся структуры выше перегиба (носа) кривой - структуры перлитного типа; а ниже перегиба – игольчатая структура – бейнит.

Для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей при малых степенях переохлаждения началу распаду аустенита будет предшествовать предварительное выделение феррита или цементита (рис. 16). Размер цементитных частиц зависит от температуры превращения аустенита, а форма цементита – от температуры нагрева (температуры аустенитизации) (рис. 15).

Связь между характером изотермического превращения аустенита, содержанием углерода и температурой показывает обобщенная диаграмма (рис. 17).Распад аустенита происходит в интервале температур, ограниченном горизонталями А1 и d. Между точками е и d может протекать такое превращение, для которого достаточна

Рис. 15. Структура перлита:

1 – пластинчатого (сталь с 1,0%С) полученного при нагреве до 900оС (выше Ас3)

и изотермического превращения при 710оС (а) и 670оС (б); П – зернистого (сталь с 1,2%С),

полученного при нагреве до 780оС (ниже Ас3) и изотермического превращения при 710оС (а)и 670оС (б)

 

Перлитное превращение

Свойства и строение продуктов распада аустенита в перлитной области зависят от температуры, при которой происходил процесс его распада (рис.106, 108,а). При высоких температурах, т.е. при малых степенях переохлаждения, получается достаточно грубая (легко дифференцируемая под микроскопом) смесь феррита и цементита – перлит. При более низких температурах и, следовательно, при больших степенях переохлаждения дисперсность структур возрастает, и твердость продуктов распада повышается. Такой перлит более тонкого строения называют сорбит.

При еще более низких температурах близких к 550оС дисперсность продуктов распада еще более возрастает, и дифференцировать под оптическим микроскопом составляющие феррито - цементитной смеси невозможно, но при наблюдении под электронным микроскопом пластинчатое строение обнаруживается вполне четко, такая структура называется трооститом.

Таким образом, перлит, сорбит и троостит – структуры с одинаковой природой (феррит + перлит), отличающиеся степенью дисперсности пластин феррита и цементита.

 

Структура Перлит Сорбит Троостит
о,мкм 0,6 – 1,0 0,25 – 0,3 0,1 – 0,15
НВ 180 – 250 250 – 350 350 – 400

 

Несмотря на то, что эти структуры являются феррито - цементитными смесями пластинчатого строения содержание углерода в них различно. Сорбит и троостит содержат больше или меньше 0,8% в заэвтектоидных или доэвтектоидных сталях соответственно, перлит имеет 0,8%С. В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях превращение начинается с выделения избыточной фазы – феррита и цементита соответственно. Поэтому структуры сорбит и троостит называют квазиэвтектоидными.

 

Рис. 16. Диаграмма изотермического распада аустенита доэвтектоидной стали (0,4%С)

Рис. 17. Обобщенная диаграмма превращения Апереохл в углеродистой стали

 

с образованием пластинчатых структур а между горизонталями е и d – с образованием игольчатых структур. Наклонная линия М показывает температуру бездиффузионного превращения.

Диффузионный перлитный распад без предварительного выделения феррита или цементита происходит в области 1; левее линии ' ему предшествует выделение феррита, а правее линии SG' – выделение цементита.

Следовательно, в зависимости от содержания углерода и степени переохлаждения существуют следующие области превращения аустенита:

1 – превращение А→П ;

П – предварительное выделение феррита, а затем превращение А→П ;

Ш – предварительное выделение цементита, а затем превращение А→П ;

1У – превращение аустенит → бейнит;

У – превращение А→М и распад Аост с образованием бейнита;

У1 – превращение А→М;

УП – переохлажденный аустенит сохраняется без превращения.

Диаграмма изотермического распада аустенита строится в координатах температура – время, и в этих же координатах изображаются и кривые охлаждения. Наложим на диаграмму (рис. 16) кривые охлаждения. При повышении скорости охлаждение температуры начала и окончания превращения сдвигаются в область более низких температур. Поэтому в перлитной области могут образовываться структуры перлита, сорбита и троостита при разных скоростях охлаждения. Межпластинчатое расстояние уменьшается, а твердость возрастает с повышением скорости охлаждения.

Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения, называется критической скоростью закалки.

Для более точной оценки превращений используют так называемые термокинетические диаграмм превращения аустенита (рис. 18).

Рис. 10. Изотермическая (а) и термокинетическая (б) диаграммы

Цифры в кружках – твердость продуктов распада в НRС; цифры без кружков – количество

структурной составляющей после превращения

 





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...