Общее описание и характеристика диаграмм изотермического распада аустенита

Превращение аустенита в субкритическом интервале температур может развиваться несколькими путями с образованием различных структурных образований. Обычно различают диффузионный, бездиффузионный и промежуточный механизм превращения.

При диффузионном превращении аустенита происходит образование избыточных фаз – феррита или карбида и образование ферритокарбидной смеси различной степени дисперсности.

Сталь со структурой аустенита, быстро охлажденная до температуры ниже Аr1 (т.е. переохлажденная), оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращение. Для его описания строят так называемые диаграммы изотермического превращения аустенита, отражающие степень распада аустенита во времени при разных температурах. Образцы стали, быстро охлажденные до определенной температуры, выдерживают при этой температуре, контролируя количество распавшегося аустенита.

На рис. 3.1 приведена диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали, где П, Б, М – области перлитного, бейнитного и мартенситного превращений; Мн – температура начала превращения аустенита в мартенсит; Мк – температура конца превращения. Левая С-образная кривая характеризует начало распада, правая кривая показывает время, когда процесс распада полностью заканчивается (или приостанавливается). Область, расположенная левее кривой начала распада, определяет продолжительность инкубационного периода, в течение которого распад аустенита экспериментально не фиксируется.

Рис 3.1 - Схема диаграммы изотермического распада переохлаждённого аустенита эвтектоидной стали

Из рис. 3.1 видно, что устойчивость аустенита с увеличением степени переохлаждения сначала быстро уменьшается, что связано с возрастанием разности свободных энергий аустенита и образующихся фаз. При дальнейшем увеличении степени переохлаждения устойчивость аустенита вновь повышается, что вызывается снижением скорости образования новых фаз и их роста в результате замедления диффузионных процессов.

При температурах, соответствующих точке М_Н и более низких, процессы диффузии полностью подавляются. Происходит сдвиговое бездиффузионное фазовое превращение аустенита в структуру закалённой стали, называемую мартенситом. Мартенситное превращение обусловливается упорядоченным перемещением атомов, причем такие перемещения малы по сравнению с междуатомным расстоянием.

В зависимости от степени переохлаждения различают три области превращения: перлитную, мартенситную и бейнитную (промежуточную) между ними, в которых соответственно протекают перлитное, мартенситное и бейнитное превращения.

Перлитное превращение аустенита по своему механизму является диффузионным. Ведущей, в первую очередь возникающей фазой является цементит. Его зародыши образуются на границах зерен аустенита. Образовавшаяся пластинка цементита растет за счет диффузии углерода из прилегающих объемов аустенита, в которых его содержание понижается. Когда содержание углерода в аустените снизится до 0,2 %, происходит полиморфное превращение гамма-железа в альфа-железо и рядом с пластинкой цементита (вдоль нее) образуется пластинка феррита.

В результате образования и роста частиц цементита вновь создаются условия возникновения и роста пластинок феррита. Такой совместный рост двухфазной «колонии» в результате диффузионного перераспределения углерода — характерная особенность перлитного превращения.

Мартенсит — основная структура закаленной стали, его твердость — 62 — 64 HRC (600 — 660 НВ). Минимальная скорость охлаждения, при которой образуется структура мартенсита, называется критической скоростью закалки.

В отличие от диффузионного перлитного превращения аустенито-мартенситное имеет бездиффузионный характер.

При резком переохлаждении аустенита до температуры начала мартенситного превращения Мн = 250 — 200°С происходит перестройка решетки гамма-железа в альфа-железо. Весь углерод, растворенный в аустените, остается в альфа-железе. Максимальная растворимость углерода в альфа-железе обычно не превышает 0,02 %. В образовавшемся мартенсите его будет столько, сколько содержалось в аустените стали до начала превращения. Следовательно, мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе.

Промежуточное (бейнитное) превращение происходит между перлитным и мартенситным превращениями в области температуры 550°С — Мн при изотермической выдержке переохлажденного аустенита.

Бейнит (игольчатый троостит) — смесь высоуглеродистого феррита и цементита. Его твердость — 40 — 55 HRC.

Твердость бейнита возрастает с понижением температуры превращения. Бейнит, образующийся при более низкой температуре (близкой к точке Мн), по сравнению с сорбитом и трооститом имеет более высокую твердость и прочность при сохранении пластичности.

В результате на практике мы наблюдаем весьма сложную зависимость кинетики превращения аустенита от температуры переохлаждения или интенсивности охлаждения и, следовательно, разнообразный вид диаграмм.

3.2 Описание изотермической диаграммы распада переохлаждённого аустенита для марки стали 35ХГ2

Конструкционная легированная сталь 35ХГ2 содержит небольшое количество легирующих элементов. Так как их малое количество, то диаграмма (Рис 3.2) не существенно изменила свій вид. Наличие карбидообразующий элементов (Cr, Mn) и некарбидообразующих (Si, Ni) не приводит к чёткому разделению перлитного и бейнитного превращений. Область устойчивого аустенита отсутствует. Низкая область аустенита под влиянием легирующих элементов сдунута в область меньших времён выдержки (вправо).

Рис.3.2 - Изометрическая диаграмма распада переохлаждённого аустенита

Температурные условия превращений по типу первой и второй ступени совпадают. Первая ступень перлитная, а вторая бейнитная. Промежуточное превращение сдвинуто в область сниженных температур, в область меньших времён выдержки. Температура нагрева образца марки стали 35ХГ2 - 875^ОС, температура линии А₁ = 730 ^ОС, мартенситное превращение начинается с линии М_Н, которая равняется 300 ^ОС. В интервале температур перлитная твёрдость колеблется от 7 до 30 HRC. Твёрдость бенитной области зависит от времён выдержки, а твёрдость равняется 40-42 HRC