1.1. Краткие теоретические сведения

1. Нагрев стали. Превращение перлита в аустенит

Превращение перлита в аустенит в соответствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов 1 происходит в точке A_С1 (727°C, линия PSK). Это превращение состоит из двух одновременно протекающих процессов: полиморфного (аллотропического)  феррит переходит в аустенит и растворения перлитного цементита в образовавшемся аустените.

Для завершения процесса получения однородного (гомогенного) аустенита требуется длительная выдержка, что нецелесообразно, и поэтому нагрев производится с некоторым превышением (на 30  50°С) верхней критической точки. Чем выше температура, тем быстрее (за меньший отрезок времени) протекает превра­щение, и чем быстрее осуществляется нагрев, тем при более высокой температуре оно происходит.

Механизм процесса превращения перлита в аустенит состоит в зарождении зерен аустенита и их росте, что удобно проследить на примере эвтектоидной стали, имеющей постоянную температуру перекристаллизации (точка S). Исходное состояние (структура) стали  перлит  эвтектоидная смесь феррита и цементита. При переходе через критическую точку A_С1 на границах ферритной и цементитной фаз образуются зародыши (центры кристаллизации) аустенита. Образовавшиеся зерна аустенита растут, и в них растворяется цементит. В результате полиморфного альфа – гамма-превращения образование новых зерен аустенита продолжается. Процесс заканчивается заполнением объема бывшего перлитного зерна зернами аустенита (рис. 1.1).

Поскольку в каждом зерне перлита образуется несколько зерен аустенита, превращение перлита в аустенит сопровождается измельчением зерна стали.

Эта особенность фазовой перекристаллизации широко используется в практике термической обработки (отжиг, нормализация, закалка). Зерно аустенита в момент окончания перлитно-аустенитного превращения называется начальным зерном.

а б в г

Рис. 1.1. Схема роста перлитного зерна

2. Рост зерна аустенита при нагреве стали

Нагрев эвтектоидной стали в однофазной области (выше A_С1) приводит к росту зерен аустенита. Происходит «слияние» мелких (начальных) зерен в крупные. Чем выше температура нагрева и чем длительнее выдержка, тем крупнее будут зерна.

После нагрева стали и выдержки при охлаждении размер зерна не меняется. Какого размера были зерна аустенита перед охлаждением, такого размера будут и зерна перлита после охлаждения.

Зерно стали, полученное в результате той или иной обработки, называется действительным зерном. Оно характеризуется номером или баллом и определяется сравнением под микроскопом (при 100-кратном увеличении) со шкалой ГОСТ 5639-82. Стали с зерном № 1  5 относятся к крупнозернистым, с зерном № 6  15  к мелкозернистым.

На свойства стали влияет только размер действительного зерна. Стали с мелкозернистой структурой имеют более высокую динамическую и усталостную прочность, низкий порог хладноломкости.

Укрупнение зерна (иногда в 2 – 3 раза) снижает ударную вязкость, работу развития трещины, повышает порог хладноломкости и почти не отражается на твердости и статической прочности. Крупнозернистые стали более склонны к короблению и растрескиванию при закалке. Стали с крупнозернистой структурой, имеющие крупнокристаллический излом вследствие высокотемпературного нагрева (или длительной выдержки), называются перегретыми.

Образование крупного действительного зерна и снижение ударной вязкости в результате высокотемпературного нагрева называется перегревом стали.

Перегрев  дефект обработки стали. Он может быть исправлен повторной перекристаллизацией, т. е. полным отжигом или нормализацией. Перегрев до значений температуры, близких к линии солидус, вызывающий окисление границ зерен, называется пережогом стали.

пережог  неисправимый дефект структуры. Сталь утрачивает прочность. Излом таких сталей – камневидный.