3. ФАЗОВІ ПЕРЕТВОРЕННЯ В легованої сталі
3.1. Освіта аустеніту при нагріванні
Процес аустенітизації при нагріванні легованих сталей складається з поліморфного a® g - перетворення, розчинення в аустените цементиту і спеціальних карбідів, нітридів і интерметаллидов, рекристалізації зерен аустеніту.
3.1.1. перекристалізація стали
В.Д. Садовським з співробітниками показано, що утворення аустеніту при нагріванні може відбуватися за двома конкуруючим механізмам фазових перетворень: кристалографічна неупорядкованого і впорядкованого.
При неврегульованих механізм утворення аустеніту полиморфное a ® g -перетворення супроводжується перекристалізацією, тобто зміною величини і орієнтації знову утворюються зерен g-фази по відношенню до вихідної a-фазі. При впорядкованому механізмі перехід не супроводжується перекристалізацією, яка протікає при більш високих температурах внаслідок первинної рекристалізації фазонаклепанного при сдвиговом перетворенні аустеніту.
Вихідна невпорядкована структура
У практиці термічної обробки конструкційних і інструментальних сталей найбільш часто нагріванню для аустенітизації піддається сталь, що має вихідну кристалографічна неупорядковану структуру феррітокарбідной суміші (ферито-перлітною, перлітною, перлітною з надлишковими карбідами). Схема невпорядкованого (нормального) механізму утворення аустеніту представлена на рис. 19. При нагріванні стали вище критичних точок відбувається поліморфний перетворення, при цьому, як вважають багато вчених, зародки аустеніту завжди утворюються по сдвиговому механізму, але цей процес збігається з рекристалізацією наклепаного при фазовому перетворенні аустеніту.
Тому при переході через критичну точку утворюється дрібне зерно аустеніту. Процеси фазового переходу і рекристалізації при такому механізмі збігаються. Подальший нагрів в аустенитной області буде приводити до зростання зерна аустеніту (збиральної рекристалізації).
Необхідно відзначити, що процес фазового перекристалізації при невпорядкованою вихідної структурі феррітокарбідной суміші в вуглецевих і легованих сталях практично мало відрізняється. Утворене зерно аустеніту в усіх сталях дрібне. Правда, чим вище швидкість нагрівання, тим дрібніше виходить зерно, так як швидкість утворення зародків нової фази зростає швидше, ніж швидкість їх росту. Істотна відмінність між вуглецевої і легованої сталлю проявляється при підвищенні температури в аустенитной області, коли відбувається зростання зерен аустеніту, їх збірна рекристалізація.
Вихідна упорядкована структура. Структурна спадковість в стали
При певних умовах сталь втрачає здатність до перекристалізації при a ® g -перетворення. Нагрівання крупнозернистой впорядкованої структури вище АС3 може
Рис.19 Схема перекристалізації сталі з вихідною невпорядкованою структурою при нагріванні і охолодженні
викликати утворення зерен аустеніту тієї ж форми, розміру і орієнтації, що і вихідне зерно стали, тобто відбувається відновлення вихідного зерна. Таке явище називають структурної спадковістю в стали. Вивченню цього складного явища посвя-щени фундаментальні роботи В.Д. Садовського з співробітниками.
Чим більше легирована сталь, тим більш широкий діапазон швидкостей нагріву, при яких проявляється структурна спадковість в стали. Легування впливає на критичну швидкість нагріву, при якій спостерігається відновлення вихідного крупного зерна при повторному нагріванні вище АС3 і не відбувається утворення дрібнозернистого аустеніту. Для легованої сталі на рис.20 наведена схема, спрощено показує процес формування зерна при нагріванні і охолодженні сталі з вихідною упорядкованою структурою.
При досить повільному (1-2 ° С / хв) нагріванні багатьох сталей аустенит утворюється також кристалографічна впорядкованим механізмом, в результаті чого і при такому нагріванні спостерігається відновлення зерна вихідної структури, тобто різко виражена структурна спадковість. Збільшення швидкості нагріву веде до порушення впорядкованості в процесі формування (зростання) аустенитной структури і подрібнення зерна. Утворився при упорядкованому a® g - переході аустенит фазово наклепаного. З підвищенням температури нагріву вище Тр відбувається його рекристалізація, і тільки тоді зерно аустеніту подрібнюється.
Мал. 20 - Схема перекристалізації сталі з вихідною упорядкованою структурою при нагріванні і охолодженні
Структурна спадковість добре проявляється в конструкційних сталях типу ЗОХГСА, 37ХНЗА, 20Х2Н4А і т. П. Найбільш ймовірно прояв структурної спадковості при термічній обробці попередньо перегрітих сталей, що містять добавки сильних карбидообразующих елементів - титану, ванадію, ніобію. Одна-ко необхідно зробити застереження, що не всі леговані стали схильні до цього явища при повільному нагріванні. Швидкий нагрів, що приводить до структурної спадковості в конструкційних легованих сталях, може реалізуватися на практиці при електронагріванні або нагріванні тонких виробів в соляних ваннах з подальшою короткочасною витримкою. Слід підкреслити, що відпустка перед остаточним швидким нагріванням під загартування виключає прояв структурної спадковості. При повільному нагріванні впливу попереднього відпустки, природно, не спостерігається, так як він протікає в процесі самого нагрівання під загартування.
3.1.2.Рост зерна аустеніту
З підвищенням температури і збільшенням часу витримки в аустенитной області відбувається зростання зерна аустеніту. Рушійною силою збиральної рекристалізації аустеніту є прагнення системи знизити поверхневу енергію шляхом зменшення протяжності кордонів зерен. У переважній більшості сталей необхідно отримати дрібне зерно аустеніту, тому що чим менше розмір зерна, тим вище міцність, опір крихкому руйнуванню і ряд інших властивостей сталей. У деяких сталях (наприклад, в магнітномягкіх трансформаторних сталях) прагнуть отримати, навпаки, велике зерно. Легування істотно впливає на розмір зерна аустеніту.
Карбідо- і нітрідообразующіе елементи (Сr, Мо, W, V, Nb, Тi, Zr) гальмують зростання зерна аустеніту при нагріванні, причому тим сильніше, чим більше стійку фазу утворює елемент. Алюміній, пов'язаний в нітрид, також сильно гальмує зростання зерна. Такий вплив карбідо- або нітрідообразующіх елементів пояснюється наявністю нерозчинних в аустените дисперсних карбідів і нітридів, що надають бар'єрне дію на мігруючу кордон зерен. Розчинення і коагуляція дисперсних фаз в аустените усувають або знімають ефект бар'єрного дії частинок. Максимальний розмір зерна аустеніту, залежить від розміру часток і їх кількості. Отже, чим більше об'ємна частка твердих часток зберігається в сталі при нагріванні і менше їх розмір, тим більше дрібнозернистим виходить аустенит. Для отримання дрібнозернистої сталі в широкому діапазоні температур нагрівання найефективніше легування стали двома або більше карбідо- або нітрідообразующімі елементами, що мають різну температуру переходу відповідних фаз в твердий розчин.
Необхідно відзначити, що вуглець, азот і алюміній, не пов'язані в карбіди і нітриди, а що знаходяться в твердому розчині - аустените, сприяють зростанню його зерна.
Також збільшують схильність до зростання зерна бор, марганець і кремній. Думки про природу впливу перерахованих еле-ментів на збільшення схильності до зростання зерна суперечливі.