Превращение перлита в аустенит

Рассмотрим особенности превращения перлита в аустенит, происходящего при нагреве стали до критической точки А_с1 (линия РSК, температура 727⁰С, рис 7.5). Движущей cилой превращения является стремление системы достичь минимума свободой энергии (рис. 7.6).

Рис. 7.6 Температурная зависимость изменения свободной энергии аустенита и перлита

В действительности превращение перлита в аустенит (а также и обратное превращение аустенита в перлит) не может происходить при 727⁰С, так как при этой температуре свободная энергия перлита равна свободной энергии аустенита (рис. 7.6). Поэтому для превращения перлита в аустенит температура нагрева должна быть обязательно немного выше равновесной температуры 727⁰С, т. е. должен быть так называемый п е р е н а г р е в, так же как для превращения аустенита в перлит должно быть обязательно некоторое п е р е о х л а ж д е н и е.

Процесс превращения перлита в аустенит при нагреве эвтектоидной стали (0,8 % С), т. е. состоящей только из перлита (рис.7.5), происходит следующим образом

Рис. 7.7 Схема структурных изменений эвтектоидной стали при нагреве:

а — исходная перлитная структура; б — перлит с зародышами аустенита; в — аустенит с остатками цементита; г — однородный аустенит

Сталь в исходном состоянии представляет смесь фаз феррита и цементита и состоит из параллельных пластинок цементита в ферритной основе (рис. 7.7, а). При нагреве несколько выше критической точки А_с1 (727⁰С) начинается полиморфное превращение Fe_α + Fe₃С → Fе_γ (С) и на межфазных поверхностях раздела феррита и цементита начинают образовываться зародыши новой фазы — низкоуглеродистого аустенита (рис. 7.7, б), в котором растворяется цементит. Превращение α→γ протекает быстрее, чем растворение цементита, поэтому, когда вся α-фаза (феррит) превратится в γ-фазу (аустенит), цементит еще остается (черточки на рис. 7.7, в). После растворения всего цементита превращение заканчивается (рис. 7.7, г), но образовавшийся аустенит имеет неравномерную концентрацию углерода, уменьшающуюся от центра к периферии зерна. Только после дальнейшего повышения температуры или дополнительной выдержки аустенит в результате диффузии углерода становится однородным по всему объему.

В доэвтектоидных сталях при температурах выше А₁ структура состоит из аустенита и феррита, а в заэвтектоидных — из аустенита и цементита. По мере нагрева до А_с3, (А_сm) происходит постепенное растворение свободного феррита или цементита в аустените, при этом, неоднородность образующегося при нагревании аустенита становится еще большей. Однофазную структуру аустенита доэвтектоидные и заэвтектоидные стали приобретают только после нагрева выше А_с3, (А_сm).

Рост зерна аустенита. Размер аустенитного зерна — важнейшая структурная характеристика нагретой стали. От размера зерна аустенита зависит поведение стали в различных процессах термо-механической обработки и механические свойства изделия.

На сильно развитой ферритно-цементитной поверхности раздела стали при нагреве выше А_с1 (А_с3, А_сm) образуется большое число центров превращения — зародышей аустенита, и к концу превращения аустенитные зерна получаются мелкими. Эти зерна называются начальными зернами, т. е. начальное зерно — это размер зерна аустенита в момент окончания перлито-аустенитного превращения. Дальнейший нагрев (или выдержка) по окончании превращения, вызывает рост аустенитных зерен. Рост зерна — самопроизвольно протекающий процесс, так как при этом уменьшается суммарная поверхность зерен (уменьшается поверхностная энергия), высокая температура обеспечивает лишь достаточную его скорость.

Размер зерна аустенита, полученный в стали в результате той или иной термической обработки в данных конкретных условиях называется действительным зерном.

Склонность к росту зерна стали зависит, с одной стороны, от содержания в ней легирующих элементов — почти все легирующие элементы (за исключением марганца) тормозят рост аустенитного зерна. Наиболее сильно тормозят рост аустенитного зерна V, Ti, Al и Zn. Хорошо тормозят зерна аустенита W, Мо и Cr, слабо действуют Ni и Si. Основной причиной такого действия легирующих элементов считается образование труднорастворимых в аустените карбидов и оксидов, которые являются барьерами для растущего зерна.

С другой стороны, склонность к росту зерна стали сильно зависит от ее металлургического качества, технологии ее производства и режима раскисления, так как они определяют наличие в стали разного количества мельчайших примесей карбидов, оксидов, сульфидов и нитридов, также затрудняющих рост зерна.

Величину зерна определяют по ГОСТ 5639 — 82 сравнением микроструктуры стали при увеличении в 100 раз с эталонными шкалами.

Размер зерна оценивается баллами. Балл зерна прямо пропорционален числу зерен, приходящихся на 1 мм шлифа, и обратно пропорционален среднему диаметру зерна. Условно принято считать, что стали с размером зерна от 1- до 5-го балла относятся к крупнозернистым, а с более высоким баллом зерна (от 6 до 15) — к мелкозернистым.