Ріст зерна аустеніту при нагріванні
Зародки аустеніту при нагріванні вище Ас1 утворяться на границях роздягнула ферит - карбід. При такому нагріванні число зародків. завжди досить велике і початкове зерно, аустеніту дрібне. Чим вище швидкість нагрівання, тим дрібніше, зерно аустеніту, тому що швидкість утворення зародків більше, ніж швидкість росту. При подальшому підвищенні температури або збільшенні тривалості витримки при даній температурі відбувається ріст зерна аустеніту, термодинамічна виправданий прагненням системи до зменшення енергії Гіббса внаслідок скорочення поверхні зерен.
В основі механізму росту зерен лежить міграція більше кутових границь. Таким чином, ріст зерна контролюється дифузійним переходом атомів через більше кутову границю.
Рис. 5. Вплив температури нагрівання на величину зерна аустеніту d спадково грубозернистої (1) і дрібнозернистої (2) евтектоїдної (0,8 % С) сталі: а — вихідне зерно колишнього аустеніту; б — початкове зерно аустеніту; в и г — розмір зерна, отриманий у стандартних умовах технологічної проби
Рис. 6. Залежність величини зерна від кількості карбонітридов (нітридів, карбідів) у структурі сталі. Сталь з 0,015% N і 0,03% А1 (1, 5); сталь з 0,015 % N, 0,05 % А1 і 0,15% Ti (2, 4). Суцільні лінії — кількість нерозчинених часток, пунктирні — величина зерна.
Розмір зерна, що утворилося при нагріванні до даної температури, природно, не змінюється при наступному охолодженні. Здатність зерна аустеніту до росту неоднакова навіть у сталей одного марочного складу унаслідок впливу умов виплавки. Розрізняють два граничних типи сталей по схильності до росту зерна: спадково дрібнозернисті і спадково грубозернисті.
У спадково дрібнозернистій сталі при нагріванні до 950 - 1000 °С зерно збільшується незначно, однак при більш високому нагріванні настає бурхливий ріст зерна (рис. 5,2). У спадково грубозернистій сталі, навпаки, сильний ріст зерна спостерігається навіть при незначному перегріві вище Ас1 - температури початку аустенітизації (рис. 5,1). Різна схильність до росту зерна визначається умовами розкислення сталі і її складом.
Сталі, розкислення алюмінієм, спадково дрібнозернисті, тому що в них утворяться дисперсні частки A1N і А12О3, що гальмують ріст зерна аустеніту. Легування сталі V, Ti, Nb, Zr і азотом, що утворить важкорозчинні в аустеніті нітриди VN, Ti, Nb, карбіди VC, Ti, Nb, Zr, карбонітриди V(N,С), Ti(N, С) і ін., також гальмують ріст зерна аустеніту при нагріванні. Розчинення цих часток спричиняє швидкий ріст зерна (рис. 5 і 6). У двофазних областях (наприклад, у заевтектоїдних сталях) в інтервалі температур Ас1—Aсm (рис. 5, а) ріст зерна аустеніту стримується карбідними частками, що не розчинилися. Такий же стримуючий вплив на ріст зерна в доевтектоїдних сталях в інтервалі температур Ас1 - Ас2 роблять ділянки фериту.
Треба відзначити, що будь-яке легування, що обумовлює гальмування дифузійних процесів, буде стримувати ріст зерна, що контролюється дифузією. Слід зазначити, що терміни спадково грубозерниста і спадково дрібнозерниста сталь не позначають того, що дана сталь має завжди велике або завжди дрібне зерно. Спадкоємне зерно, отримане в стандартних умовах технологічної проби (див. рис. 5), указує лише на те, що при нагріванні до визначених температур спадково грубозерниста сталь здобуває відносно більш велике зерно при більш низькій температурі, чим сталь дрібнозерниста. Тому введено поняття про дійсне зерно, тобто зерні, що існує в сталі при даній температурі.
Розмір дійсного зерна аустеніту обумовлений температурою і швидкістю нагрівання, тривалістю витримки при ній і схильністю даної сталі до росту зерна при нагріванні.
Перегрів. Тривале нагрівання доевтектоїдної (заевтектоїдної) сталі при температурах, що значно перевищують Ас3 або Асm, приводить до утворення великого зерна. У перегрітої сталі злам камневидний. Поверхня руйнування зламу характеризується горбкуватою грубозернистою будівлею (зерна без металевого блиску, як би оплавлені). У перегрітій сталі нерідко чітко виявляється те, що ферит утвориться по рушійному механізму перетворення. Ріст Відманштетових кристалів фериту відбувається при високих температурах в умовах дифузійного відводу вуглецю. Перегрів може бути виправлений відпалом.
Вплив величини зерна на властивості сталі. Ніж дрібніше дійсне зерно, тим вище міцність (σу, σ0.2), пластичність (δ, ψ) і в'язкість (KCU, КСТ) і нижче поріг холодноламкості (t50). Зменшуючи розмір зерна аустеніту, можна компенсувати негативний вплив інших механізмів зміцнення на поріг холодноламкості. Ніж дрібніше зерно, тим вище границя витривалості (σ-1). Тому всі методи, що викликають здрібнювання зерна аустеніту (мікро легування V, Ti, Nb і ін., високі швидкості нагрівання й ін.), підвищують конструктивну міцність сталі. Велике зерно прагнуть одержати тільки в електротехнічних (трансформаторних) сталях, щоб поліпшити їхні магнітні властивості.
Анормально поводиться тріщиностійкість К1с.При укрупненні зерна аустеніту до 10-15 мкм тріщиностійкість зменшується, а при подальшому рості зерна зростає. Імовірно, це зв'язано з очищенням границь зерна аустеніту від шкідливих домішок завдяки більшому їхньому розчиненню в обсязі зерна при високотемпературному нагріванні.
Рис. 7. Зерна аустеніту (×100) виявлені:
а - цементацією; б - по феритної сітці; г - загартування, відпустка і травлення шліфа в розчині пікринової кислоти з добавкою миючих засобів; г - при безпосереднім спостереженні при високій температурі (нагрівши у вакуумній камері)
Виявлення і визначення величини зерна. Розмір зерна аустеніту визначають методами цементації, окислювання, травлення границь зерен, а також по феритній і цементитній сітці. По методу цементації зразок доевтектоїдної сталі насичують вуглецем при 930 °С в плин 8 год. При цьому зміст вуглецю в аустеніті, що знаходиться в поверхневій зоні, досягає заевтектоїдної концентрації. При наступному повільному охолодженні по границях зерна аустеніту виділяється вторинний цементит, що утворить суцільну сітку, по якій після охолодження визначають величину колишнього зерна аустеніту (рис. 7,а).
Рис. 8. Шкала зернистості сталі. Цифрами зазначений бал зернистості. х100
Рис. 9. Монограма для визначення розміру зерна
При використанні інших методів виявлення зерна конструкційних і інструментальних сталей температуру нагрівання приймають рівній температурі загартування або на 20—30 °С вище цієї температури. Час витримки при такому нагріванні 3 год. У випадку застосування методу окислювання металографічний шліф нагрівають у захисній атмосфері і після закінчення витримки в піч подають повітря. Границі колишніх зерен аустеніту виявляються сіткою окислів. Метод, заснований на утворенні сітки фериту (рис. 7,б), застосовують для доевтектоїдних, а методи утворення сітки цементиту - для заевтектоїдних сталей. Зразки нагрівають до заданої температури і прохолоджують зі швидкістю, що забезпечує утворення сітки фериту або цементиту (рис. 7,в). Нерідке зерно аустеніту визначають на зразках після загартування і відпустки при 225-550 °С шляхом травлення мікрошліфа в розчині пікринової кислоти з додаванням 0,5-1,0 % миючих засобів («Астра» або «Новина») (рис. 7,в). Зерно аустеніту можна визначити на спеціальних мікроскопах з нагрівальною вакуумною камерою безпосередньо при високих температурах (рис. 7,г). Величину зерна визначають під мікроскопом при збільшенні в 100 разів. Зерна, видимі на шліфі, порівнюють з еталонними шкалами, приведеними на рис. 108. Величину зерна оцінюють балами. Між балом зерна, його середнім діаметром і кількістю зерен, що містяться на 1 мм2 шліфа, існує пряма залежність (рис. 9).