6.4. Превращения в стали при охлаждении – распад аустенита

Превращение аустенита в перлит заключается в распаде аустенита –  твердого раствора углерода в γ-железе, на почти чистое α-железо и цементит. Превращение может начаться не в точке А1, а при некотором переохлаждении. Чем ниже температура превращения, тем больше переохлаждение, тем больше разность свободных энергий, тем быстрее происходит превращение.

Для описания кинетики превращения переохлажденного аустенита пользуются экспериментально построенными диаграммами «время – температура – степень распада» или диаграммами изотермического превращения аустенита, т.е. превращения, протекающего при постоянной температуре.

Для изучения изотермического превращения аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответствующих существованию стабильного аустенита (т.е. выше критической точки), а затем быстро охлаждают (переохлаждают) до температуры ниже A1 (например, до 700, 600, 500, 400, 300 °С и т.д.), и выдерживают при этих температурах различное время, в том числе и до полного распада аустенита. Степень его распада можно определять разными методами: микроскопическим, магнитным, дилатометрическим и др.

Результаты исследования описываются кинетической кривой, по которой можно оценить количество распавшегося аустенита в зависимости от времени, прошедшего с момента начала распада. В течение некоторого промежутка времени (H1, Н2, Н3) распад аустенита экспериментально не фиксируется (рис. 6.6, а). Этот период называют инкубационным.

По истечении этого периода аустенит начинает распадаться с образованием более стабильных структур. В области повышенных температур он протекает с образованием структуры, состоящей из феррита и цементита. Скорость распада сначала быстро увеличивается, а затем постепенно замедляется. Через различные промежутки времени (К1, К2, K3) процесс распада постепенно затухает и, наконец, полностью заканчивается или приостанавливается.

Построение таких кривых в изотермических условиях при разных температурах (t1, t2, t3 и т.д.) позволяет получить диаграмму изотермического превращения аустенита (рис. 6.6, б). Для этого нужно отрезки времени, соответствующие началу (H1, Н2, Н3) и концу распада аустенита (К1, К2, K3 и т.д.), или для какой-то заранее принятой степени превращения, для каждой из исследуемых температур (t1, t2, t3), перенести на график, на котором по оси абсцисс откладывают время, а по оси ординат –  температура, и одноименные точки соединить плавными кривыми. На диаграмме изотермического превращения аустенита (рис. 6.6, б) кривая 1 характеризует начало распада аустенита, а кривая 2 показывает время, необходимое для полного распада аустенита.

Область, лежащая левее кривой начала распада аустенита (рис. 6.6, б), относится к инкубационному периоду. В интервале температур и времени, определяемых этой областью, существует переохлажденный аустенит, практически не претерпевающий заметного распада. Длительность инкубационного периода характеризует устойчивость переохлажденного аустенита. С увеличением переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума, и далее вновь возрастает.

При температуре наименьшей устойчивости аустенита скорость превращения очень велика. В некоторых низкоуглеродистых сталях длительность инкубационного периода при этой температуре не превышает 1,0 – 1,5 с. Уменьшение устойчивости аустенита и роста скорости его превращения с увеличением степени переохлаждения

объясняется возрастанием разности свободных энергий аустенита и феррита. При этом уменьшается размер критического зародыша, способного к росту, и возрастает количество объемов в исходном аустените, в которых могут возникнуть зародыши новых фаз –  феррита и цементита. Повышение устойчивости аустенита и уменьшение скорости его превращения при больших степенях переохлаждения определяется снижением скорости образования и роста новых фаз вследствие замедления процесса диффузии.

При переохлаждении аустенита до температуры, равной или ниже мартенсиной точки (), соответствующей температуре начала превращения переохлажденного аустенита в мартенсит (рис. 6.6, б), диффузионные процессы полностью подавляются и образование структуры, состоящей из феррита и цементита, становится невозможным. В этом случае протекает бездиффузионное превращение аустенита в структуру закаленной стали, называемую мартенситом.

Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита имеют вид буквы С, поэтому их часто называют С-образными или просто С-кривыми.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области или ступени превращения (рис. 6.6, б): перлитную; область промежуточного превращения (промежуточного между перлитным и мартенситным превращением) и мартенситную.

Перлитная область в углеродистых сталях распространяется на интервал температур от точки A1 до изгиба изотермической диаграммы (~550 °С). При этих температурах происходит диффузионный распад аустенита с образованием структуры из феррита и цементита –  перлита.

Промежуточное превращение протекает при температурах от изгиба кривой (~550 °С) до точки Мн (рис. 6.6, б). Это превращение обладает рядом особенностей, присущих как перлитному (диффузионному), так и мартенситному (бездиффузионому) превращению. В результате превращения переохлажденного аустенита образуется бейнит (рис. 6.7).

Мартенситное превращение происходит по бездиффузионному механизму ниже точки Мн (рис. 6.6, б) Структура получаемого сплава имеет вид (рис 6.8.).

Свойства и строение продуктов превращения аустенита в перлитной области зависят от температуры, при которой происходил процесс его распада.

При высоких температурах, т.е. при малых степенях переохлаждения, получается достаточно грубая (легко дифференцируемая под микроскопом) смесь феррита и цементита. Эта смесь называется перлитом (рис. 6.9, а).

При более низких температурах и, следовательно, при больших степенях переохлаждения, дисперсность структур возрастает и твердость продуктов повышается. Такой более тонкого строения перлит получил название сорбита (рис. 6.9, б).

При еще более низкой температуре (что соответствует изгибу кривой) дисперсность продуктов еще более возрастает и дифференцировать под оптическим микроскопом отдельные составляющие ферритно-цементитной смеси становится почти невоз

можно, пластинчатое строение можно наблюдать лишь под электронным микроскопом. Такая структура называется трооститом.

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