Превращения в стали при равновесном нагреве и охлаждении

На диаграмме состояний железо—углерод стали занимают область до 2,14% С (см. рис. 4.1). Для того чтобы при термообработке стали реализо­вать возможности, предоставляемые аллотропическими превращениями, ее следует нагревать до температур, при которых происходят эти превращения и обусловленные ими очень важные структурно-фазовые изменения.

Сталь нагревают в специальных термических печах с пламенным или электрическим обогревом. Первое превращение стали происходит при тем­пературе около 727 °С (см. рис. 4.1, изотерма PSK). Оно состоит в превра­щении феррито-цементитной смеси (перлит) в аустенит, являющийся твер­дым раствором внедрения углерода в y-Fe, содержащий при этой температу­ре 0,8% С независимо от количества последнего в обрабатываемой стали.

Температура превращения перлит—аустенит (П—А) является первой критической точкой (обозначают Aci). При этой температуре, вследствие аллотропического превращения a-Fe -> y-Fe, образуется более равновесная, чем перлит, фаза аустенита, обладающая меньшим запасом свободной энер­гии. В ней растворяется весь находившийся в перлите углерод.

Напомним, что открытие критических точек в стали, осуществленное в 1868 г. знаменитым русским ученым-металлургом Д. К. Черновым, постави­ло термическую обработку на научную основу.

Таким образом, при нагреве стали до точки Aci после определенной вы­держки (необходимой для протекания приводящих к равновесию диффузи­онных процессов) сталь приобретает равновесный двухфазный состав соот­ветственно: Ф₀,о2 + По,8 -> Фо,о2 + Ао,в (доэвтектоидная сталь) или По,8 + Ць,ы -> -> Ao,g + 1Дб,б7 (заэвтектоидная сталь).

При этом в феррите содержится около 0,02% С (точка Р), в аустените — 0,8% С (точка S), в цементите — 6,67% С (см. рис. 4.1).

При дальнейшем повышении температуры поддержание равновесия между образовавшимися фазами обеспечивается диффузионными измене­ниями их химического состава. Так, в доэвтектоидных сталях составы фер­рита и аустенита изменяются соответственно по линиям PG и SG (т. е. в них фактически происходит растворение Ф в А).

В заэвтекгоидных сталях равновесие между аустенитом и цементитом с ростом температуры поддерживается за счет растворения Ц в А, приводяще­го к обогащению аустенита углеродом (вплоть до 2,14% С в точке Е) и уменьшению количества цементита.

На линиях SG и SE находятся критические температуры, при которых сталь приобретает равновесную однофазную структуру аустенита. Точки, лежащие на jhhhhSG, принято обозначать Асз, а на линии SE — Ас,,,. При дальнейшем на­греве доэвтектоидных сталей, начиная с температур, равных Асз + (30—50) °С, наблюдается заметный рост зерна аустенита, приводящий к снижению прочности термически обработанной стали. В заэвтекгоидных сталях это неблагоприятное явление происходит начиная с температур нагрева Aci + (30—50) °С.

В связи с изложенным температуры нагрева стали при термической об­работке обычно ограничиваются вышеуказанными величинами. (Хотя в ин^: тересах сокращения времени на обработку было бы желательно ускорять диффузионные процессы путем нагрева стали до более высоких температур.)

В соответствии с режимом термообработки после нагрева и выдержки стали при заданной, зависящей от содержания углерода температуре следует процесс охлаждения аустенита. Вначале рассмотрим, какие структурно-фазовые изменения происходят в аустените доэвтектоидной стали при рав­новесном, т. е. достаточно медленном, охлаждении.

По достижении определенной температуры (точки на линии SG) аусте-нит начнет распадаться (А -» Ф + А) и сталь снова будет состоять из двух фаз (Ф + А). Данный процесс протекает равновесно, если их химический состав изменяется соответственно по линиям PG и SG.

Достигаемая при охлаждении критическая температура, соответствую­щая началу выпадения феррита-из аустенита, обозначается критической точ­кой Аг₃. Ее величина зависит от содержания углерода в стали.

Когда температура достигнет изотермы PSK, равновесный фазовый со­став стали будет представлен ферритом и аустенитом, содержащими соот­ветственно 0,02 и 0,8% С.

При температуре, обозначаемой критической точкой Аг_ь аустенит пре­вращается в перлит. Заметим, что феррит и цементит перлита, образующего­ся при распаде аустенита, имеют форму чередующихся пластинок (см. рис. 5.3, а). Таким образом, при равновесном охлаждении получается исходный рав­новесный структурно-фазовый состав доэвтектоидной стали: Ф + П.

Аустенит заэвтектоидной стали после равновесного охлаждения пре­вращается в исходную смесь перлита и цементита (П + Ц). При этом начиная с температур, лежащих на линии SE, из него будет выделяться избыточный углерод в виде вторичного цементита, а при температуре Ari он по уже зна­комой реакции превратится в перлит: Ao,g -* Фо,о2 + Цб,б7 (и сталь приобретает свою исходную равновесную заэвтектоидную структуру: П + Ц).

Как уже подчеркивалось ранее, сплав с равновесной структурой имеет такую плотность дислокаций, которая обеспечивает ему минимальный пре­дел текучести (р * 10⁷ см"²). Получению низкой прочности способствует и то обстоятельство, что при равновесном, т. е. достаточно медленном, охлажде­нии в доэвтектоидной стали формируются довольно крупные зерна избыточ­ного феррита.

Однако термообработка в большинстве случаев производится с целью получения у стали более высоких показателей прочности. В связи с этим ре­жим обработки должен быть построен таким образом, чтобы получающаяся после ее завершения дислокационная структура характеризовалась более высокой плотностью дислокаций и наличием в ней элементов, затрудняю­щих процесс пластической деформации (дислокационные стенки, атмосферы Коттрелла, стопоры).

Кроме того, режим термической обработки должен строиться и с учетом возможности управления прочностью за счет регулирования размера зерен структурных составляющих стали.