Превращения в сталях при охлаждении

При охлаждении в области высоких температур в шве и ЗТВ, находящихся в аустенитном состоянии, продолжают развиваться процессы, начавшиеся при нагреве (гомогенизация, рост зерна). Однако доминирующие влияние оказывают процессы превращений аустенита. В зависимости от состава стали и параметров термического цикла в ЗТВ и шве возможны ферритное, перлитное, мартенситное и бейнитное фазовые превращения, а также их сочетание.

Ферритное превращение характерно для сварки низкоуглеродистых сталей при малых скоростях охлаждения. Зародыши ферритной фазы возникают и растут на границах аустенитных зерен, причем углерод диффузионно отводится во внутренние части аустенитного зерна. Ферритное превращение завершается при превышении концентрации углерода величины его предельной растворимости в альфа-железе (порядка 0,02%) в оставшейся части аустенита, которая претерпевает далее перлитное или другое превращение.

Перлитное превращение характерно при сварке среднеуглеродистых сталей или как дополнительное при сварке низкоуглеродистых сталей. Оно происходит при сравнительно невысоких скоростях.

Перлитное превращение начинается с образования зародышей в виде перлитных колоний по границам зерен. Вначале вследствие флуктуации концентрации образуется тонкая цементитная (или ферритная) пластина. Окружающее пространство обедняется (или обогащается) углеродом и создаются условия для образования феррита (или цементита). Образуется колония перлита, состоящая из чередующихся тонкодисперсных пластин феррита ицементита. Скорость роста перлитных колоний и степень их дисперсности зависти от состава стали и степени переохлаждения. С увеличением степени переохлаждения увеличивается дисперсность структуры (перлит, сорбит, троостит).

Мартенситное превращение при типичных сварочных скоростях охлаждения характерно для среднеуглеродистых и легированных сталей. Оно происходит в части аустенита, оставшейся после ферритного и перлитного превращений. Превращение бездиффузионно и происходит при переохлаждении аустенита до температур, когда прекращаются диффузионные перемещения атомов железа, а углерода – существенно замедляются. Оно начинается и заканчивается при постоянных для данного сплава температурах начала и конца мартенситного превращения и не зависит от скорости охлаждения.

Превращение развивается по сдвиговому механизму. В результате кооперативных перемещений атомов на расстояния меньше параметра решетки, ГЦК- решетка аустенита превращается в ОЦК-решетку мартенсита. Мартенситное превращение не сопровождается выделением углерода из твердого раствора, который после превращения аустенита становится пересыщенным.

В аустените атомы углерода расположены в пустотах на ребрах ГЦК, а в мартенсите – на гранях ОЦК. Они препятствуют сдвиговой деформации, а решетка мартенсита искажается. Чем выше содержание углерода, тем больше искажения решетки и выше твердость мартенсита. Мартенситное превращение аустенита не бывает полным, всегда имеется 2-10 % остаточного аустенита.

Вследствие затруднений пластического скольжения мартенсит является хрупкой структурой, т.е. разрушается при упругих деформациях. Он является одним из основных факторов зарождения холодных трещин при сварке.

Бейнитное превращение, называемое промежуточным, характерно для сварки большинства конструкционных сталей. Оно происходит в интервале температур 500 ^оС – Т_МН. В этом интервале диффузия атомов железа и легирующих элементов отсутствует, а углерода – существенна. В высокотемпературной части интервала превращения образуется верхний бейнит, в низкотемпературной – нижний бейнит.

Бейнитное превращение сочетает элементы перлитного и мартенситного превращений. Ему предшествует диффузионное образование флуктуаций концентрации по углероду. Дифференциация растет с ростом температуры превращения. В обедненных участках при образовании верхнего бейнита образуется пересыщенный углеродом феррит по мартенситному механизму. В обогащенных участках аустенита выделяются карбиды. Окружающий карбиды аустенит с пониженным содержанием углерода претепевает с дальнейшим понижением температуры γ→α превращение. Верхний бейнит имеет в структуре мелкие карбидные образования, которые располагаются между сравнительно крупными пластинами пересыщенного феррита.

При образовании нижнего бейнита с понижением температуры растет степень пересыщения ферритной фазы углеродом и карбидная фаза выделяется по всему объему ферритного зерна. Структура нижнего бейнита имеет мелкодисперсное строение, подобное отпущенному мартенситу.

Верхний бейнит имеет пониженную прочность и невысокую пластичность из-за сравнительно крупного ферритного зерна и наличия остаточного аустенита. Нижний бейнит обладает оптимальным комплексом свойств.

При непрерывном охлаждении в условиях сварки ни один из видов превращения аустенита на завершается полностью. С понижением температуры один вид превращения сменяет другой.

Регулирование структуры сварных соединений конструкционных сталей ставит основной целью уменьшение содержания хрупких закалочных структур и подавление процессов роста зерна.