Влияние легирующих элементов на превращение аустенита в перлит

Ввиду малой скорости диффузии как легирующих элементов, так и углерода в легированных сталях превращение аустенита в перлит при их охлаждении имеет ряд особенностей:

1) некарбидообразующие элементы Ni, Si, Al, Cu – замедляют превращения аустенита в перлит (они смещают линии начала и конца превращения аустенита вправо, не изменяя вида С-диаграммы);

2) карбидообразующие элементы Mn, Cr, Mo, W, V при температуре 400 – 500 °C замедляют превращение аустенита в перлит (это отражается на форме кривых изотермического превращения аустенита – на ней появляются два максимума);

3) время максимальной устойчивости аустенита повышается с увеличением степени легированности стали;

4) в некоторых сталях (с 0,3 – 0,4% С и 10 – 12% Cr) отсутствует промежуточное превращение;

5) для сталей с повышенным содержанием Cr, W, Mo отсутствует перлитное превращение и реализуется только промежуточное.

Таким образом, диаграммы изотермического превращения аустенита легированных сталей отличаются от углеродистых и могут быть различны.

Превращение аустенита при непрерывном охлаждении

Так как диаграмма изотермического распада аустенита строится в координатах температура – время, то на эту диаграмму можно наложить линии скоростей охлаждения V₁ – V₅ (рис. 15.3). По данной методике можно получить приближенное представление об образующихся структурах при разных скоростях охлаждения аустенита V₁ < V₂ < V₃ < V₄ < V₅ .

П ри скоростях охлаждения V₁, V₂, V₃ – образуются структуры соответственно: перлит, сорбит и троостит. Они относятся к продуктам диффузионного распада аустенита. При скоростях охлаждения V₄ аустенит превращается в бейнит – промежуточное превращение. При скоростях выше критической V > V_к аустенит превращается в мартенсит – бездиффузионный.

Таблица 15.1

Структуры в эвтектоидной стали

Скорость охлаждения, град/с	Температура критической точки, °C		Образующаяся структура	, мкм	HRCэ
	Ar1	Mн
меньше 10	700	–	перлит	0,6	15
10	650	–	сорбит	0,2	30
70	550	–	троостит	0,1	40
100	500 – 550	200	бейнит	0,08	50
больше 150	200	200	мартенсит	–	60

Примечание: Перлит, сорбит и троостит – смесь феррита и цементита, т.е. (+Fe₃C), имеют пластинчатое строение. Толщина пластинок между  и Fe₃C () зависит от температуры превращения (степени переохлаждения).

Влияние скорости охлаждения на положение критической точки A_r1 и образование структуры в эвтектоидной стали показано в табл. 15.1.

Превращение аустенита в мартенсит при непрерывном охлаждении

Мартенситом называют пересыщенный твердый раствор углерода в Fe_α ~ с той же концентрацией углерода, что и в исходном аустените.

Мартенситное превращение начинается при температуре, называемой мартенситной точкой М_н, и протекает в широкой области температур. Температуру, при которой мартенситное превращение заканчивается, обозначают точкой М_к. Минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается только в мартенсит, называется критической скоростью охлаждения (V_к), или критической скоростью закалки.

Особенности мартенситного превращения:

1) носит бездиффузионный характер, так как полиморфное превращение сопровождается перестройкой кристаллической решетки ГЦК в ОЦК без выделения углерода;

2) протекает только при непрерывном охлаждении аустенита (со скоростью выше критической) ниже температуры начала мартенситного превращения (М_н);

3) положение точек начала М_н и конца М_к мартенситного превращения зависит только от химического состава стали: чем больше в стали углерода, тем ниже температура точек М_н и М_к. Все легирующие элементы, за исключением Co и Al, понижают точки М_н и М_к;

4) не протекает до конца: в сталях, содержащих свыше 0,4 – 0,5% углерода, всегда присутствует остаточный аустенит. Его количество тем больше, чем ниже температура точек М_н и М_к, т.е. чем больше в аустените содержание углерода;

5) превращения аустенита в мартенсит происходит с изменением объема (для стали с 1% С изменение объема достигает 1%). Это создает большие микронапряжения, вызывающие дробление блоков и фазовый наклеп. Внутренние напряжения тем выше, чем больше углерода в стали.

Характерными свойствами для сталей с мартенситной структурой являются высокая твердость и малая пластичность. Твердость мартенсита зависит главным образом от содержания углерода и мало изменяется от наличия легирующих элементов. Хрупкость стали увеличивается с увеличением содержания углерода. Вязкость закаленной углеродистой стали невелика из-за неоднородности мартенсита и высокой плотности дислокаций. Вследствие этого возможно образование микротрещин, накопление которых приводит к потере пластичности и хрупкому разрушению стали. Для повышения конструкционной прочности все стали после закалки подвергаются отпуску.