Промежуточное превращение

В углеродистых сталях ниже изгиба С- кривой в интервале 500-250° С происходит бейнитное или промежуточное превращение - промежуточное между перлитным и мартенситным. При превращении образуется также феррито-цементитная смесь, но карбидные частицы не имеют пластинчатого строения и очень дисперсны (видны только в электронном микроскопе). Различают «верхний» и «нижний» бейнит, образующийся соответственно в верхней (~ 550-400⁰) и нижней (-400-250°) части промежуточного интервала температур.

В отличие от перлитного, бейнитное превращение является сдвиговым диффузионным, т.е. перестройка кристаллической решетки происходит за счет кооперированного перемещения атомов железа на расстояния меньше межатомных при диффузионном перемещении атомов углерода. Верхний и нижний бейнит отличаются друг от друга строением и прочностными характеристиками. Первый имеет перистое строение, сравнительно низкую прочность и пластичность; второй - игольчатое строение (близкое к мартенситу), высокую прочность и пластичность.

Различие в прочности прежде всего связано с расположением карбидных частиц в верхнем бейните. Включения карбидов сосредоточены главным образом на границах ферритных пластин (охрупчивание границ), а в нижнем бейните - внутри пластин.

Общие черты с перлитным превращением: а) в обеих случаях превращение идет не сразу - есть инкубационный период; б) конечная структура двухфазная - Ф+Ц, т.е. имеет место диффузия углерода на большие расстояния; в) одинаковая кинетика превращения (кинетические кривые близки).

Общие черты с мартенситным превращением: а) превращение γ→α сдвиговое; б) превращение может не идти до конца, в структуре может остаться непревращенная фаза - аустенит остаточный (A_ост); в) структура, особенно нижнего бейнита, очень похожа на структуру мартенсита; г) концентрация легирующих элементов, образующих твердые растворы замещения, в аустените и феррите неизменна, диффузия легирующих элементов в процессе превращения не происходит; г)феррит находится в неравновесном состоянии, незначительно пересыщен углеродом.

Термическая обработка с целью получения структуры бейнита находит широкое применение в промышленности. Существует класс бейнитных сталей, у которых бейнитная структура с высокими прочностными и удовлетворительными пластическими свойствами формируется при охлаждении на воздухе.

Мартенситное превращение.

Аустенит при быстром охлаждении превращается в новую метастабильную) фазу мартенсит- упорядоченный пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе. При перестройке решетки ГЦК в ОЦК в последней сохраняется концентрация углерода такая же, как и в исходном аустените. Максимально возможная концентрация углерода в мартенсите 2,14%.

Атомы углерода искажают ОЦК кристаллическую решетку(рис.8.15,а), (отношение с /а >1). Чем больше углерода в стали, тем больше тетрагональность решетки мартенсита. На рис.8.15 показано изменение параметров решетки мартенсита в зависимости от содержания в ней углерода. Атомы углерода занимают определенное место в решетке (октаэдрические поры), поэтому раствор является упорядоченным.

Для мартенсита характерна особая микроструктура. Его кристаллы представляют собой тонкие пластины, утоненные к концам (на микрошлифе они имеют форму игл, отсюда термин «игольчатая структура»), расположенные параллельно или пересекающиеся друг с другом под углом 60° и 120°.Ориентировка пластин мартенсита связана с тем, что они могут образовываться в аустените только по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям наиболее густо усеянным атомами (меньше работа образования кристаллов новой фазы мартенсита).

Тонкая структура мартенситных кристаллов характеризуется высокой плотностью дислокации (10¹¹ -10¹² см^-2) и небольшими размерами фрагментов (менее 1мкм и ячеек (100-200 А). С увеличением содержания углерода растет плотность дислокации уменьшаются размеры фрагментов.

К особенностям мартенситного превращениях в сталях можно отнести:

1.Превращение бездиффузионное, оно не сопровождается диффузионным перераспределением атомов углерода или других легирующих элементов. Превращение является сдвиговым, т.е. осуществляется путем кооперативного смещения атомов железа при перестройке решетки ГЦК в ОЦК, при этом атомы железа не обмениваются местами, а смещаются относительно друг от друга на расстояния меньше межатомных.

2. Мартенситное превращение нельзя подавить быстрым охлаждением, как это возможно делать для любого диффузионного превращения. Превращение для каждой марки стали начинается с определенной температуры Мн, и заканчивается при температуре Мк, которые практически не зависят от скорости охлаждения.

3. Для развития мартенситного превращения необходимо непрерывное охлаждение стали в мартенситном интервале Мн - Мк,. Однако в отличие от перлитного превращения, оно даже при достижении температуры Мк, не идет до конца, и в структуре сохраняется некоторое количество остаточного аустенита (рис.8.16). Если приостановить охлаждение внутри мартенситного материала, то образование мартенсита прекращается, т.е. превращение не идет при изотермических выдержках.

4. Температурное положение точек Мн и Мк, зависит от химического состава Ц стали и прежде всего от содержания углерода. На рис.8.17 показано влияние углерода (а) и легирующих элементов (б) на мартенситные точки. Это связано прежде всего с тем, что углерод и большинство легирующих элементов повышают устойчивость переохлажденного аустенита, изменяют его упругопластические;свойства. Повышение их содержания в стали снижает положение точек Мн и Мк.

5. Мартенсит по сравнению с другими структурными составляющими стали имеет наибольший удельный объем. Увеличение удельного объема при мартенситном превращении приводит к росту упругой энергии, внутренним напряжением, которые приводят к пластической деформации, короблению и даже трещинам.

6. Мартенситные кристаллы растут с колоссальной скоростью - 10⁶ мм/сек (1 км/сек) Из-за различия удельных объемов аустенита и мартенсита, возникающая упругая энергия достигает предела текучести, вызывает сдвиг на границе фаз А-М, когерентность решеток нарушается и рост кристаллов мартенсита прекращается. Так как на границе аустенитных зерен атомы находятся в неупорядоченном расположении, то мартенситный кристалл растет только до границы. Кристаллы тем крупнее, чем больше исходное зерно аустенита. Сдвиговое превращение образует на поверхности рельеф (свидетельство изменения формы превращенного объема); который можно наблюдать на отполированном до закалки шлифе без травления.

7.Мартенситные кристаллы представляют собой тонкие пластины, утоненные к концам (на микрошлифе они имеют форму игл, отсюда термин «игольчатая структура»), расположенные параллельно или пересекающиеся друг с другом под углом 60° и 120°.Ориентировка пластин мартенсита связана с тем, что они могут образовываться в аустените только по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям наиболее густо усеянным атомами (меньше работа образования кристаллов новой фазы мартенсита).

Тонкая структура мартенситных кристаллов характеризуется высокой плотностью дислокации (10¹¹ -10¹² см-²) и небольшими размерами фрагментов (менее 1мкм и ячеек (100-200 А°). С увеличением содержания углерода растет плотность дислокации уменьшаются размеры фрагментов.

Характерной особенностью мартенсита является его высокая прочность и твердость. Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода (рис.8.18). В стали с содержанием 0,6-0,7% С твердость мартенсита HRC 65.Это в 6 раз больше твердости феррита. Предел прочности низкоуглеродистого мартенсита (0,015% С)~ 100 кг/мм², а при 0,6-0,2% С -260-270кг/мм ². Однако с повышением содержания углерода растет хрупкость. Так уже при содержании > 0,35-0,40% С пластичность мартенсита очень низкая и точно определить прочностные характеристики затруднительно.

Упрочнение при закалке на мартенсит является результатом действия нескольких механизмов торможения движения дислокации, плотность которых очень велика. Важнейшая роль принадлежит углероду. Атомы углерода, искажая решетку α-железа, затрудняют движение дислокации. В процессе закалки или после нее атомы углерода образуют атмосферы на дислокациях, закрепляя их. Упрочняющие влияние углерода на мартенсит очень велико и можно считать, что твердость закаленной стали не зависит от содержания легирующих элементов, образующих твердые растворы замещения и определяется только содержанием углерода.

Основная причина резкого охрупчивания при закалке углеродистых сталей низкая подвижность дислокации в мартенсите, содержащем углерод. В результате снижается резко сопротивление распространению трещин и сталь хрупко разрушается.