3.2 Превращения в стали при нагреве

При нагреве стали выше критических точек с образованием аустенита исходной структурой чаще всего является смесь феррита и цементита — перлит. Превращение перлита в аустенит в точном соответствии с диаграммой «железо-углерод» происходит лишь при очень медленном нагреве. В реальных условиях нагрева при термообработке превращение перлита в аустенит запаздывает и имеет место перегрев. Скорость превращения зависит от степени перегрева. Чем выше температура, тем больше степень перегрева и тем быстрее идет превращение. Кинетику превращения можно проследить на диаграмме изотермического превращения перлита в твердый раствор аустенит эвтектоидной стали (рисунок 3.1).

При достаточно высокой температуре из-за большой подвижности атомов превращение протекает практически мгновенно, поэтому кривые начала и конца превращения сливаются и попадают на ось ординат. При очень малом перегреве над А₁ превращение протекает очень вяло и поэтому превращение может протекать практически бесконечно. В этом случае кривые начала и конца превращения также сливаются и асимптотически приближаются к линии А₁. Совпадение кривых начала и конца превращения в одной точке соответствует равновесному превращению по диаграмме железо-углерод.

Рисунок 3.1 - Диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит эвтектоидной стали: а', а''— точки начала превращения со скоростями v₁, v₂; b', b'' — точки конца превращения со cкороcтями v₁, v₂ (v₁ >v₂)

Зародыши новой фазы – аустенита – образуются на межфазных поверхностях раздела феррита и цементита. Переход перлита в аустенит состоит из двух элементарных процессов: полиморфного превращения альфа-железа в гамма-железо и растворения в гамма-железе углерода цементита. Растворение цементита запаздывает по сравнению с полиморфным превращением. Поэтому после превращения феррита в аустенит необходимо дополнительное время для устранения неоднородности аустенита — период гомогенизации аустенита.

В доэвтектоидных сталях выше А₁ структура состоит из аустенита и феррита, а в заэвтектоидных — из аустенита и цементита. По мере нагрева до А_C3 (А_cm) происходит постепенное растворение свободного феррита или цементита в аустените. Однофазную структуру аустенита доэвтектоидные и заэвтектоидные стали приобретают только после нагрева выше А_C3 (А_cm).

Размер аустенитного зерна – важнейшая структурная характеристика нагретой стали. От размера зерна аустенита зависит поведение стали в различных процессах термомеханической обработки и механические свойства изделия.

Особенно чувствительна к размеру аустенитного зерна ударная вязкость, которая падает заметно с укрупнением зерна.

На сильно развитой ферритно- цементитной поверхности раздела стали при нагреве выше А_С1 (А_C3, А_cm) образуется большое число центров превращения – зародышей аустенита, и к концу превращения аустенитные зерна получаются мелкими. Эти зерна называются начальными зернами. При дальнейшем нагреве эти зерна аустенита растут, причем разные стали характеризуются различной склонностью к росту зерна. По склонности к росту зерна аустенита при нагреве различают наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые стали. Наследственно крупнозернистые стали начинают быстро увеличивать размер зерен даже при небольшом перегреве выше А_С1 (А_С3, А_cm), а наследственно мелкозернистые — даже при значительном перегреве сохраняют относительно мелкое зерно (рисунок 3.1).

Склонность к росту зерна стали зависит с одной стороны, от содержания в ней легирующих элементов — почти все легирующие элементы (за исключением марганца) тормозят рост аустенитного зерна. Наиболее сильно тормозят рост аустенитного зерна V, Ti, Al и Zn. Хорошо тормозят рост зерна аустенита W, Mo и Cr, слабо действуют Ni и Si. Основной причиной такого действия легирующих элементов считается образование труднорастворимых в аустените карбидов и оксидов, которые являются барьерами для растущего зерна.

С другой стороны, склонность к росту зерна стали сильно зависит от ее металлургического качества, технологии ее производства и режима раскисления, так как они определяют наличие в стали разного количества мельчайших примесей карбидов, оксидов, сульфидов и нитридов, также затрудняющих рост зерна.

Нагрев стали до температур значительно выше А_С3 приводит к перегреву металла, следствием которого является образование крупного действительного зерна. Перегрев может быть исправлен повторным нагревом до более низкой температуры. Если нагрев проводится еще выше, чем при перегреве, и металл длительное время находится при этой температуре в окислительной атмосфере печи, то может возникнуть неисправимый дефект — пережог стали. Он сопровождается окислением и частичным оплавлением границ зерен и характеризуется камневидным изломом.

Величина действительного зерна стали оказывает наибольшее влияние на ударную вязкость, особенно при низких температурах.