Основные превращения в стали

М.А. Смирнов, В.М. Счастливцев, Л.Г. Журавлев

ОСНОВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ

В статье дано описание на тему основные превращения в стали для студентов МИСиС. Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14% С, и, возможно, некоторые другие, специально вводимые так называемые легирующие элементы. Поэтому основой для изучения термической обработки сталей является диаграмма состояний железо-углерод (рис. 1.4). Напомним критические точки железа и сталей. Железо при атмосферном давлении существует в двух модификациях: а с решеткой ОЦК до температуры 911 °С и у с решеткой ГЦК в интервале 911…1392 °С. При более высоких температурах железо вновь имеет решетку ОЦК (б-железо). Температуры равновесия Fe_a — Fe_Y (911 °С) и Fe_Y <-> Fe_б (1392 °С) обо­значаются как точки А₃, и А₄ соответственно. Основные превращения в стали показаны на рисунке ниже.

Рис. 1.4. Диаграмма состояний Fе—С

Положение точек А₃ и А₄ в сталях зависит от содержа­ния углерода, который образует в феррите и аустените твердые растворы внедрения. На диа­грамме состояний Fe—С точ­кам А₃ соответствует линия GS, а точкам А₄ — линия N1. При А₄ заканчивается превра­щение феррита в аустенит при нагреве или начинается выде­ление феррита из аустенита при охлаждении. Аналогич­ный смысл имеет точка А₄ по отношению к превращениям аустенита в б-феррит при нагреве и наоборот — при охлаждении. Температура трехфазного равновесия аустенит-феррит-карбид (727 °С) рассматривается как точка А₁, которая не зависит от со­держания углерода, и ей соответствует линия PSК на диаграмме со­стояний Fe—С. В случае медленного охлаждения стали при этой температуре протекает эвтектоидная реакция: аустенит состава точ­ки S превращается в феррит состава точки Р и цементит — карбид железа Fe₃C. имеющий орторомбическую решетку. Образующийся эвтектоид часто называют ферритно-карбидной структурой (ФКС). При медленном нагреве реакция идет в обратном направлении.

Температурный интервал между А₁и А₃ называется межкрити­ческим. С увеличением содержания углерода А₃, постепенно сни­жается; при 0,8% С (в точке S диаграммы состояния Fe—С) она совпадает с А₁. У заэвтектоидных сталей, лежащих правее точки S, имеется еще одна точка А_ст, которая соответствует началу выде­ления цементита из аустенита при медленном охлаждении или окончанию растворения цементита в аустените при медленном на­греве. На диаграмме состояний Fe—С совокупности этих точек со­ответствует линия SE.

Точкой А₂ (770 °С) обозначают температуру перехода феррита из ферромагнитного состояния в парамагнитное при нагреве и в обратном направлении при охлаждении.

Вышеперечисленные критические точки, кроме А₂, имеют раз­ные значения при нагреве и охлаждении. Обозначения критических точек, определенных при нагреве, имеют дополнительный индекс с (Ас₁, Ас₃ и т. д.), а при охлаждении — r (Аr₁, Аr₃ и т. д.). Напомним, что фазовые превращения, протекающие в сплавах в твердом состоянии, по концентрационному признаку подразде­ляются на диффузионные и бездиффузионные. При диффузионном превращении образование новой фазы сопровождается опреде­ленным перераспределением компонентов, что требует диффузионного перемещения атомов на дальние расстояния.

При бездиффузионном превращении концентрационных из­менений в сплавах не происходит, возникающие участки новой фазы не отличаются по составу от исходной фазы. В соответствии с этими представлениями фазовое превращение в однокомпонент­ной системе, например в чистом железе, всегда может рассматри­ваться как бездиффузионное. Таким же путем может происходить превращение высокотемпературной фазы у в низкотемпературную а и наоборот в сплавах системы. Для лю­бого сплава этой системы можно указать определенную температуру Т₀, при которой свободные энергии высокотемпературной и низко­температурной фаз равны между собой. Бездиффузионное превращение высокотемпературной фазы в низкотемпературную становится возможным лишь при переохлаждении ниже Т₀. При нагреве выше Т₀ появляется возможность бездиффузионного превращения низкотемпературной фазы в высокотемпературную. Однако эта возможность далеко не всегда может быть реализована вследствие трудности подавления диффузионных процессов при высоких температурах.

В некоторых сплавах возможно протекание бездиффузионных превращений, связанных с образованием метастабильных фаз, не фигурирующих на диаграмме состояний.

В зависимости от характера перестройки кристаллической ре­шетки различают нормальное и сдвиговое мартенситное превраще­ния (Г.В.Курдюмов).

При нормальном (флуктуационном) механизме превращения смещение атомов на границе раздела фаз не является упорядочен­ным. В результате термической активации отдельные атомы или их небольшие группы «отрываются» от решетки исходной фазы и присоединяются к решетке новой фазы. Процесс требует значи­тельной энергии активации и его скорость сильно зависит от тем­пературы. Такой тип перестройки решетки может быть как при диффузионном, так и бездиффузионном превращении.

При сдвиговом мартенситном механизме превращения осуще­ствляется упорядоченное кооперативное перемещение атомов на расстояния, не превышающие межатомные. При этом обмена ато­мов местами не происходит: атомы, бывшие соседями в исходной решетке, остаются соседями и на границе растущего кристалла, а затем и в новой решетке. На межфазной границе возникает упру­гое сопряжение решеток (когерентность), что обуславливает воз­можность перемещения границы с большой скоростью. Так как в процессе перестройки решетки атомы могут перемещаться толь­ко в определенных направлениях по отношению к своим соседям, то в результате такого перемещения происходит сдвиг. Ввиду того, что при образовании новой фазы нет обмена атомов местами, ее состав не отличается от состава исходной фазы, т. е. мартенситное превращение в сплавах является бездиффузионным.

При термической обработке сталей протекают следующие ос­новные превращения.

Превращение ферритно-карбидной структуры в аустенит при нагреве выше А₁.

Превращение аустенита при охлаждении ниже А₁ в зависимо­сти от температуры переохлаждения осуществляется по различным механизмам. Некоторое время ниже А₁ аустенит может оставаться не превращенным, и тогда его называют переохлажденным аусте­нитом. При относительно небольших переохлаждениях ниже А₁ происходит диффузионное превращение переохлажденного аустенита в ферритно-карбидную структуру. Оно также называется перлитным превращением (независимо от характера образующейся структуры).

В случае больших переохлаждений ниже А₁, когда диффузион­ные процессы оказываются заторможенными, начиная с определен­ной температуры, обозначаемой как точка М_Н, происходит бездиффузионное сдвиговое превращение переохлажденного аустенита в мартенсит. В углеродистых сталях под мартенситом понимают пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в a-железе.

В температурной области, лежащей ниже интервала перлитно­го превращения, но выше Мн, протекает промежуточное или бейнитное превращение. Оно носит черты как диффузионного, так и бездиффузионного сдвигового превращения.

Диффузионное и промежуточное превращения также называ­ют распадом переохлажденного аустенита по типу первой и второй ступени соответственно.

Мартенсит является метастабильной фазой. При нагреве до температур, лежащих ниже А₁, он распадается с образованием ферритно — карбидной структуры. Выше вы прочитали про основные превращения в стали.