ПЕРЛИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ
Перлитное превращение связано с перераспределением углерода в аустените и полиморфным γ→α превращением, что приводит к образованию феррито-цементитной смеси – перлита. Превращение имеет диффузионный механизм.
А0,8%С → Ф0,02% + Fe3C6,67%
МЕХАНИЗМ ПРЕВРАЩЕНИЯ
- образование зародыша Fe3C в местах флуктуации углерода (ча- 
ще на границах зерна аустенита). 
- обеднение прилегающих к зародышу участков аустенита углерода за счетроста частиц карбида.
- полиморфное γ→α превращение в участках аустенита, обедненных
углеродом. Кристаллы феррита 
зарождаются на границе аустенит
– цементит.
-рост пластинок феррита и оттеснение атомов углерода в соседние объемы аустенита.
-образование флуктуаций углерода в этих объемах аустенита. Созданы условия для образования новых зародышей Fe3C.
∆ 0 – межпластинчатое расстояние
Температура превращения (степень переохлаждения относительно Ar1) влияетна структуру и свойства.
|
|
|
|
|
|
t0 |
превращ., 0С |
СТРУКТУРА |
∆ 0, мкм |
НВ, МПа |
|
Аr1 – 650 |
перлит |
0,6 |
– 1,0 |
1800 – 2500 |
|
650 - 590 |
сорбит |
0,25 |
– 0,30 |
2500 – 3500 |
|
580 - 550 |
троостит |
0,1 – 0,15 |
3500 - 4500 |
||
63
МАРТЕНСИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ
Мартенсит – пересыщенный упорядоченный твердый раствор внедрения углерода
врешетке α -железа. Содержание углерода в мартенсите может быть таким же, как
висходномаустените(растворимостьуглеродавFeα при200 ~ 0,008%).
А0,8%С → М0,8%С (нетперераспределенияуглеродамеждуфазами). Температурныйинтервалпревращения– Мн–Мк.
механизмпревращения - сдвиговой процесс, который осуще-
ствляется кооперативным, направленным смещением атомов на расстояния меньше межатомного, что приводит к перестройке γ→α решетки. Отсутствие диффузии углерода приводит к образованию тетрагонального искажениярешетки(с/а≠ 1).
с/а = 1 + 0,046С
а
б
а– решеткамартенсита; б – зависимость параметров решетки от%C встали.
кинетика превращения - мартенситное превращение протекает
при непрерывном охлаждении в интервале температур Мн – Мк. Растущие кристаллы когерентно связаны с аустенитом. Типичная форма кристаллов – пластина или линза. Превращение не идет до конца, остается некоторое ко-
личествоАост.
криваямартенситногопревращения
Положение точек Мн и М зависитот количества углерода в стали.
Превращение γ→ М приводит к увеличению объема, что может привести к образованию больших внутренних напряжений и трещин. 
64
Свойства мартенсита зависят от количества углерода в стали. Чем больше углерода, тем выше твердость, прочность, но ниже пластичность, выше хрупкость. Это объясняется влиянием внедренных атомов углерода в решетку α -фазы и повышенной плотностью дефектов кристаллического строения, образовавшихся при мартенситном превращении.
Различаютдва основных морфологических типа мартенситных кристаллов
Мартенсит пластинчатый (двойнико- |
Мартенсит реечный (пакетный). |
||
вый). Образуется в высокоуглероди- |
Образуется в сталях с содержанием |
||
стых сталях (> 0,8 %С). Точка Мн |
углерода до 0,5 % Мн лежит при |
||
низкая. |
высоких температурах. |
||
|
|
|
|
схема структуры
Кристаллы М имеют линзовидную форму, не параллельны, образуют сложныепространственныегруппы.
Схема структуры
Кристаллы М имеют форму тонких (0,1 – 0,2 мкм) пластин (реек), группа пластин образуетпакет.
микроструктура микроструктура
В структуре сталей с содержанием углерода от 0,5 % - до 0,8 % присутствуютоба типа мартенсита.
65
ПРОМЕЖУТОЧНОЕ (БЕЙНИТНОЕ) ПРЕВРАЩЕНИЕ
Превращение сочетает в себе элементы диффузионного превращения - перераспределение углерода, и бездиффузионного превращения (мартенситного) – сдвиговых механизм полиморфного γ→α превращения.
Температурный интервал превращений
Мн < Тб.п. < Тперл.превращ.
МЕХАНИЗМ ПРЕВРАЩЕНИЯ
АУСТЕНИТ
перераспределение углерода в аустените
|
Аустенит, |
|
|
|
Аустенит, |
|||
|
богатый углеродом |
|
|
обедненный углеродом |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
выделение карбида |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
карбид |
|
аустенит, |
|
|
|
||
|
Fe3C |
|
обедненный |
|
|
|
||
|
|
|
углеродом |
|
|
|
||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мартенситное
превращение
мартенсит (α , пересыщенный С)
выделение
карбида
карбид Fe3C |
|
α - фаза |
|
|
|
бейнит
66
СТРУКТУРА БЕЙНИТ
В результате промежуточного превращения образуется бейнит – структура, состоящая из α -твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение и несколько пересыщенного углеродом и частиц карбида. Различают структуру: верхнего и нижнего бейнита.
Верхний бейнит
Образуется при 500 – 3500 С, имеет вид "резаной соломы". Цементитные частицы в виде обособленных узких пластинок.
Пониженная прочность в сочетании с невысокой пластичностью.
Нижний бейнит
Образуется при 350 – Мн. Имеет игольчатое (пластинчатое) строение. Частицы цементита выделяются в α - фазе. Высокая твердость и прочность в сочетании с хорошей пластичностью.
схема структуры |
схема структуры |
|
микроструктура, х 1000 |
микроструктура, х 1000 |
|
67
Легирующие элементы существенно влияют на скорость превращения аустенита при охлаждении.
Легирующие элементы не меняют механизм перлитного и бейнитного превращений, сдвигают диаграмму изотермического распада аустенита вправо (за исключением Со). При легировании карбидообразующими элементами может меняться вид диаграммы. Это приводит к увеличению устойчивости переохлажденного аустенита и снижению Vкр.
Легирующие элементы не меняют механизма мартенситного превращения, но изменяют температурный интервал превращения Мн – Мк и количество аустенита остаточного в структуре (Аост).
Кривые критических скоростей закалки углеродистой (1) и легированной (2)
сталей
Снижение Vкр дает возможность закалки в масле, что снижает закал напряжения, снимает коробление, поводку деталей.
Снижение точек Мн, Мк ниже комнатной температуры также приводит к увеличению % Аост, что ухудшает свойства стали.
68
ПРЕВРАЩЕНИЕ ПРИОТПУСКЕ
Нагрев закаленной стали до температур ниже АС1 называютотпуском. При отпуске происходятструктурные изменения, приводящие систему в более устойчивое состояние.
(М + Аост) → Ф + Fe3C
ДИФФУЗИОННЫЙ МЕХАНИЗМ ПРЕВРАЩЕНИЯ (ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛЕРОДА)
|
|
|
Т0С |
Происходящие процессы |
|
Структура |
|
||||
Сегрегация уг- |
≤ 100 |
Образование |
сегрегаций |
|
М закалки |
||||||
лерода |
|
(скоплений) углерода на |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
дислокациях. |
|
|
|
|
|
|
|
I |
превращение |
|
Образование в мартенсите ε - |
|
Мз → |
Мот |
|||||
при отпуске: |
< 200 |
карбида Fe2C (тонкие пла- |
плотность |
|
дисло- |
||||||
1 стадия |
стинки). Уменьшение тетра- |
каций |
уменьшает- |
||||||||
|
|
|
|
гональности мартенсита. |
|
ся, искажения ре- |
|||||
2 стадия |
200-300 |
Укрупнение |
пластинок |
ε - |
шеткиостаются. |
||||||
карбида за счет углерода из |
Мот (α тетр. + ε) |
||||||||||
|
|
|
|
участков |
пересыщенного |
% Суменьшается |
|||||
|
|
|
|
раствора. |
|
|
|
|
|
|
|
II |
превращение |
250-350 |
Образование Мот из Аост. |
Мот, Аост. |
|
||||||
при отпуске |
|
|
|
|
(М, |
|
обедненный |
||||
|
|
|
|
|
|
|
углеродом+ Fe3C) |
||||
III |
|
превраще- |
350-400 |
Полностью |
завершается |
Мот → |
Тотп |
||||
ние |
при отпус- |
|
процесс выделения углерода |
троостит |
отпус- |
||||||
ке |
|
|
|
из мартенсита и образование |
ка |
- |
α |
и |
Fe3C |
||
|
|
|
|
цементита Fe3C. |
|
зернистой |
фор- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
мы. |
|
|
|
|
IV |
|
превраще- |
500-600 |
Растворение |
мелких и |
рост |
Тотп → |
Сотп |
|||
ние |
при отпус- |
|
крупных карбидов. |
|
сорбит |
отпуска |
|||||
ке – коагуляция |
|
|
|
|
– |
смесь |
кри- |
||||
карбидов |
|
|
|
|
сталлов |
феррита |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
и |
Fe3C, |
где |
||
|
|
|
|
|
|
|
dц~1 мкм. |
|
|||
|
|
|
600-680 |
Укрупнение частиц карбида |
|
Зернистый |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
перлит |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
dц~3 мкм. |
|||
69
ВЛИЯНИЕ ОТПУСКА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ
При низких температурах отпуска (до 200-2500С) улучшается вязкость при сохранении высокой прочности и твердости.
Повышение температуры отпуска от 250 до 550-6000С заметно снижается временное сопротивление, предел текучести, твердость, повышаются характеристики пластичности и трещиностойкости
(Кс1).
Легирующие элементы Cr, Mo, W, V, Co, Si затрудняют распад мартенсита и сдвигают температуру распада в область более высоких температур (4505000С), тормозят коагуляцию карбидов. Стали приобретают повышенную сопротивляемость к отпуску – теплостойкость.
Элементы, не образующие карбидов, слабо влияют на превращение при отпуске.
При отпуске легированных хромистых и хромоникелевых сталей снижается ударная вязкость и повышается температура перехода в хрупкое состояние – отпускная хрупкость. Необратимая хрупкость (I рода ~ 4000С) не исправляется; обратимая (II рода ~ 500 –5500С) можно предотвратить быстрым охлаждением (кривая 2).
70
13. ПРЕВРАЩЕНИЕПРИ НЕПРЕРЫВНОМОХЛАЖДЕНИИ
При реальных скоростях охлаждения аустенит переохлаждается ниже температуры А1 и становится нестабильным.
Чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения аустенита, тем дисперснее (мельче) продукты его распада.
Vk – критическая скорость охлаждения – минимальная скорость, при которой образуется мартенсит(касательная к С-образной кривой диаграммы). Скорость охлаждения:
V1 – образуется перлит, V2 – сорбит, V3 – троостит.
Бейнит при непрерывном охлаждении не образуется. Прискорости V4 часть аустенита переохлаждается до точки Мн. Структура при охлаждении с этой скоростью – троостит и мартенсит.
Охлаждение со скоростью V5 > Vкр. переохлаждается до точки Мн и в структуре образуется мартенсит + Аост.
С увеличением скорости охлаждения свойства прочности, твердости возрастают, а пластичности и вязкости падают.
71
ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫПРЕВРАЩЕНИЯ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА.
Диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита приближенно характеризуют превращения, протекающие при непрерывном охлаждении.
Термокинетические диаграммы Т0-τ служат для разработки технологических режимов термической обработки. Эти диаграммы строятся с учетом различных скоростей охлаждения и их влияния на температурные интервалы превращения и образующиеся структурные составляющие.
а б
Термокинетические диаграммы превращения переохлажденного аустенита: а – эвтектоидная сталь; б – доэвтектоидная легированная сталь с 0,3 %С, 1,0 %Cr, 0,15 %Mo (тонкие линии на рис. а – диаграмма изотермического распада.
Диаграммы показывают, что при малых скоростях охлаждения углеродистой стали проходит перлитное превращение с образованием ферритоцементитной смеси разной дисперсности (перлит, сорбит, троостит).
При охлаждении со скоростью V > Vкр перлитное превращение подавляет-
ся, А→ М.
В легированных сталях существует область бейнитного превращения и возможно образование бейнита.
72
ВОПРОСЫ ИЗАДАЧИПО ТЕМЕ
Вопросы:
1. В чем причина фазовых превращений, протекающих при нагреве или охлаждении стали?
2.Какая критическая точка соответствуетперлитному превращению?
3.В чем различие между наследственно мелко- и наследственно крупнозернистыми сталями?
4.Что такое перегрев, пережог?
5.Каковы особенности перлитного превращения в стали, что такое сорбит, троостит?
6.Что такое мартенсит, какова его решетка, особенности мартенситного превращения?
7.Отчего зависятсвойства мартенсита и отношение c/a?
8.Что такое критическая скорость охлаждения?
9.Что такое бейнит, типы бейнитной структуры?
10. Какие процессы протекаютпри отпуске закаленной стали?
11. Как влияеттемпература отпуска на механические свойства стали? 12. Какие структурные изменения протекаютпри отпуске стали?
13. Почему охлаждение стали со скоростью меньше критической дает пониженную твердость стали?
14. Диаграмма изотермического распада аустенита.
15. Что такое остаточный аустенит?
16. Как влияют легирующие элементы на фазовые превращения при нагреве и охлаждении?
73
Задачи:
Задача № 1 Укажите структуру стали 45, которая образуется при нагреве до темпера-
туры 7000С, 7500С, 8500С, 9500С, 10000С, если сталь была при выплавке дополнительно раскислена алюминием в ковш? Изменится ли структура стали при подобном нагреве, если сталь раскислить только FeSi или FeMn?
Задача № 2 Детали из стали У8 подверглись нагреву на температуру 7800С, после че-
го одна партия деталей охлаждалась с печью (очень медленно), а другая партия была перенесена в печь с температурой 5000С и выдерживалась в ней 2 часа. Какая структура будет у деталей I и II партий после обработки и будутли отличаться их свойства?
Задача № 3 В сталях после нагрева на температуру 7700С образовались структуры: а –
мартенсит + феррит; б – мартенсит + цементит + Аост. Определить ориентировочно содержание углерода в сталях с разной структурой.
Задача № 4 Образцы стали У8 были нагреты на температуру 7700С и после выдержки
охлаждались в разных средах – на воздухе, в масле, в воде, растворе NaCl в воде. После охлаждения образцы имели разную твердость. Объясните причину этого явления.
Задача № 5 В чем различие в фазовом составе и строении продуктов отпуска при
6500С и продуктов изометрического превращения переохлажденного аустенита при той же температуре в стали с содержанием углерода 0,4 %?
Задача № 6 В стали с содержанием углерода 0,45 % необходимо получить наилучшее
сочетание свойств прочности и пластичности. Рекомендовать температуру отпуска для этой стали и объяснить сделанный выбор.
74