Фазові перетворення при нагріванні
Лекція 4
ФАЗОВІ ПЕРЕТВОРЕННЯ В СПЛАВАХ ЗАЛІЗА (ТЕОРІЯ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ СТАЛІ)
Знання фазових і структурних перетворень, що протікають у сталі при її нагріванні і охолодженні з різною швидкістю, дозволяє правильно установити режими різних видів термічної обробки, широко застосовуваних на металургійних і машинобудівних заводах.
Фазові перетворення при нагріванні
Для багатьох видів термічної обробки сталь нагрівають до температур, що відповідають існуванню аустеніту (процес аустенітизації). Утворення аустеніту при нагріванні є дифузійним процесом і підкоряється основним положенням теорії кристалізації. Процес зводиться до поліморфного α-перетворенню і розчиненню в аустеніті цементиту, що утворився, (карбідів).
Рис. 1. Схеми діаграми ізотермічного перетворення перліту в аустеніт (а) і структурних змін у процесі перетворення при температурі вище Ас1 (б) у евтектоїдної сталі (0,8 % С): tн - початок утворення аустеніту; t0 - кінець перетворення перліту в аустеніт; tk - повне розчинення карбідів; t2- гомогенізація аустеніту; 1-5 - послідовні стадії перетворення перліту в аустеніт
При нагріванні трохи вище температури, що відповідає лінії PSK (Ас1) , перліт перетворюється в аустеніт (рис. 1). У доевтектоідних сталях після перетворення перліту в аустеніт при подальшому нагріванні відбувається перехід надлишкового фериту в аустеніт, а в заевтектоїдних сталях — розчинення в аустеніті вторинного цементиту. Вище Ас3 (Аст) буде тільки аустеніт. Утворення первісних зародків аустеніту при нагріванні трохи вище Ас1 імовірно, відбувається зсувним шляхом α→γ при збереженні когерентних границь. Зародки, що утворяться, мало вуглецевого аустеніту мають пластинчасту форму і деформаційна зміцнені за рахунок а>?-перетворення. Далі протікають дифузійні процеси розчинення в аустеніті цементиту (карбідів) і його рекристалізація. Ці процеси взаємозалежні. При росту зародка (збірна рекристалізація) когерентність α(фериту) і γ(аустеніту)- ґрат порушується, рушійний механізм заміняється нормальним механізмом росту і зерна аустеніту здобувають рівноосну форму.
На рис. 1,б приведена схема, що ілюструє перетворення ферито-цементитної структури в аустеніт. Зародки аустеніту частіше утворяться на границі роздягнула фериту і цементиту (рис. 1,б, 2). Аустеніт, що утворився, не однорідний по змісту вуглецю. У ділянках, що прилягають до часток цементиту (карбіду), концентрація вуглецю в аустеніті вище, ніж у ділянках, що прилягають до фериту. Під впливом цього градієнта концентрацій відбувається дифузія атомів вуглецю в аустеніті в напрямку від границі з цементитом до ділянок, що граничать з феритом. У результаті розчинення цементиту в аустеніті відбувається його стабілізація. Отже, ріст аустенітного зерна відбувається внаслідок поліморфного a>g - перетворення і дифузії вуглецю.
Ріст ділянок аустеніту в результаті а→γ-перетворення протікає швидше, ніж розчинення цементиту, тому після перетворення фериту в аустеніт у структурі сталі зберігається ще деяка кількість цементиту (рис. 102,6, 4), і для його розчинення в аустеніті тривалість ізотермічної витримки повинна бути збільшена. Аустеніт, що утворився в результаті описаних перетворень, неоднорідний по складу, і для його гомогенізації потрібно додатковий час.
Для опису переходу ферито-цементитної структури в аустеніт часто користуються діаграмами ізотермічного утворення аустеніту, що дає представлення про перетворення при різних температурах. Для побудови діаграми невеликі зразки з досліджуваної сталі, наприклад евтектоїдної (0,8% С), швидко нагрівають до заданої температури вище крапки Ас1 і витримують при цій температурі. У процесі ізотермічної витримки фіксують початок і кінець окремих стадій перетворення перліту в аустеніт. Якщо отримані експериментальні крапки нанести на графік у координатах час-температура-час і з'єднати їх плавними кривими, то вийде діаграма, подібна схематично показаної на рис. 1, а.
Як випливає з діаграми ізотермічного утворення аустеніту в евтектоїдної сталі, при підвищенні температури перетворення перліту в аустеніті різко прискорюється. Це порозумівається, з одного боку, прискоренням дифузійних процесів, а з іншого боку - збільшенням градієнта концентрації в аустеніті. Швидкість перетворення ферито-цементитної структури в аустеніт, крім температури нагрівання, залежить від її вихідного стану. Ніж тонше ферито-цементитна структура, тим більше виникає зародків аустеніту і швидше протікає процес аустенітизації. Попередня сфероїдизація цементиту, особливо з утворенням великих глобулей, сповільнює процес утворення аустеніту.
При нагріванні доевтектоїдної або заевтектоїдної сталі процес аустенітизації ускладняється перетворенням структурно вільного фериту в аустеніт або розчиненням надлишкового цементиту. При нагріванні доевтектоїдної сталі зародки аустеніту можуть виникати і на границях феритних зерен. У цьому випадку дифузія вуглецю по міжфразної границі приводить до прагнення цементиту розчинитися у фериті, що сприяє перетворенню фериту в аустеніт. Чим більше в сталі вуглецю, тим швидше протікає аустенітизація, що обумовлена збільшенням кількості цементиту, а отже, і ростом сумарної поверхні роздягнула фериту і цементиту.
Введення в сталь хрому, молібдену, вольфраму, ванадію і інших карбідоутворюючих елементів затримує аустенітизацію через утворення легованого цементиту або важкорозчинних в аустеніті карбідів легуючих елементів. Відповідно більше потрібно часу і для гомогенізації аустеніту. Легуючі елементи нерівномірно розподілені між феритом і карбідами, а отже, і в аустеніті зміст легуючих елементів по обсязі буде неоднаково.
Процес гомогенізації аустеніту по змісту легуючих елементів вимагає більшого часу, тому що дифузійна рухливість легуючих елементів у ґратах γ-фази значно менше, ніж вуглецю. При безперервному підвищенні температури перетворення перліту в аустеніт протікає в інтервалі температур t1-t2, t3-t4 ,t5-t6(рис. 2), що тим більше, чим вище швидкість нагрівання. Чим більше швидкість нагрівання, тим вище температура, при якій відбувається перетворення перліту в аустеніт, а тривалість перетворення менше (рис. 2). Тому при швидкісному нагріванні (наприклад струмами високої частоти) температура нагрівання для аустенітизації сталі повинні бути вище, ніж при порівняно повільному грубному нагріванні.
Рис.2 Схема утворення аустеніту при нагріванні з різними швидкостями (v›v1›v2)для сталі з 0,8 % С
Рис. 3.Термокінетична діаграма перетворень ферит карбідної структури в аустеніт у сталі, що містить 1,0 % Сu 1,0 % Сr: I - Ас1 - початок а→γ-перетворень; II - Ас3 - кінець а→γ-перетворення; III - Ает - кінець розчинення карбідів. Цифри в кривих* указують кількість не розчинилися в аустеніті карбідів (%) при даному нагріванні
На рис. 4 приведена реальна термокінетична діаграма утворення аустеніту для хромистої сталі. Початок перетворення ферито-карбідної структури в аустеніт Ас1 кінець Ас2 і повне розчинення карбідів Аст (див. рис. 104).