Структурная наследственность стали

При охлаждении всех углеродистых и большинства легированных сталей аустенит претерпевает перлитное, мартенситное, бейнитное превращение. При повторном нагреве, когда вновь образуется аустенит, в определенных условиях размер, форма и кристаллографическая ориентировка его зерен могут быть такими же, как и у исходного зерна аустенита перед первым перлитным, мартенситным или бейнитным превращением. Такое наследование размера, формы и ориентировки аустенитного зерна называют структурной наследственностью.

Проявление структурной наследственности зависит от исходной структуры стали и ее состава, от скорости нагрева и температуры аустенизации. Наиболее ярко структурная наследственность проявляется, если перед повторным нагревом сталь имела мартенситную или бейнитную структуру. У стали с феррито-перлитной структурой исходное аустенитное зерно обычно не наследуется. Если такая сталь была перегрета, то при повторном нагреве аустенит, зарождаясь во многих местах, получается мелкозернистым. Крупное зерно здесь наследуется только при исходной видманштеттовой структуре.

Для мартенситной, бейнитной, а также видманштеттовой структур общей чертой есть кристаллографическая упорядоченность: в пределах объема зерна исчезнувшего аустенита, пластины ά-фазы имеют определенную кристаллографическую ориентировку. При нагреве стали зародыши γ-фазы в свою очередь закономерно ориентированы относительно пластин ά-фазы, в результате чего в объеме исходного аустенитного зерна при небольших перегревах выше точки А₃ формируется точно такое же зерно аустенита, называемое восстановленным.

Если при нагреве стали выше точки А₃ вначале наследовалось крупное зерно аустенита, то при последующем повышении температуры, а иногда и при увеличении выдержки восстановленное зерно вместо того, чтобы укрупнятся, измельчается. Такое измельчение происходит в результате рекристаллизации аустенита, за счет повышения плотности дислокаций при фазовом наклепе.

Превращения в сталях при охлаждении

Реальные режимы термической обработки имеют самые разные скорости охлаждения, поэтому структуры могут по составу и форме сильно отличатся от равновесных.

Для изучения превращений проходящих в стали при охлаждении используют диаграмму изотермического превращения.

1кривая – начало распада переохлажденного аустенита. Расстояния от оси температур до первой кривой характеризует устойчивость переохлажденного аустенита при данной температуре.

2 кривая – окончание распада аустенита

3 кривая – ниже этой температуры распада не происходит, образуется мартенсит.

Перлитное превращение

Протекает в интервале температур от до 500°С. Аустенит состава 0,8% С распадается на феррит и цементит.

В этом интервале диффузионные процессы достаточно активны, поэтому превращение протекает диффузионным путем. Очевидно, что появление столь отличных от первоначальной фазы зародышей должно носить флуктуационный характер. Ведущей фазой при образовании перлита может быть как цементит, так и феррит. Это зависит от того, какая флуктуация реализовалась как зародыш. Наиболее удобным местом являются границы аустенитных зерен. Это объясняется, во-первых, повышенной энергией границы, во-вторых, обогащением границы углеродом.

Для образования зародыша цементита все соседние зерна должны обедняться углеродом. В них создаются условия для перехода γ→α. Соответственно радом с цементитным зародышем появляются 2 аустенитных. По мере роста зародышей углерод отталкивается, и появляются условия для создания цементитного зародыша. Процесс повторяется многократно. Так происходит боковой рост зародыша перлита. Одновременно проходит и торцевой рост перлитных колоний. Колония растет в сторону и вглубь. Рост перлитной колонии протекает быстро, так как диффузионные процессы протекают перпендикулярно и параллельно фронту диффузии.

В результате перлитная колония представляет собой пластинчатые образования, состоящие из параллельных пластинок феррита и цементита, толщины которых относятся как 7:1. Скорость и межпластиночные расстояния для каждой температуры превращения постоянны.

Межпластиночные расстояния – толщина 2 соседних пластин.

Постоянство в скорости превращения и межпластиночных расстояниях при определенной температуре определяется двумя противоборствующими факторами: кинетическим и термодинамическим.

Первый фактор говорит о том, что при минимальном межпластиночном расстоянии диффузионные процессы будут протекать быстрее, фактор стремится уменьшить пластины.

Термодинамический стимул уменьшается при уменьшении размера пластины и увеличении . Чтобы стимул стал достаточным, нужно повысить температуру. Такое противодействие факторов приводит к тому, что для каждой температуры устанавливается такое расстояние, которое обеспечивает максимальную скорость превращения. Как бы не росла перлитная колония, пластинки будут параллельны, и межпластиночное расстояние постоянно.

Перлитная колония при своем росте может изгибаться. Причиной этого является фазовый наклеп. Перлитная колония будет расти до встречи с соседней. Уменьшение температуры превращения приведет к уменьшению межпластиночного расстояния и изменению механических свойств смеси.

-650°С	1,0-0,5 мкм	перлит
650-600	0,4-0,25	сорбит
600-500	0,2-0,1	тростит

Все перлитные колонии растут только в пределах исходного аустенитного зерна. В одном зерне может быть несколько колоний. С понижением температуры размер колоний повышается. При комнатной температуре перлитная колония может вести себя как самостоятельное зерно, отсюда название – перлитное зерно.