Превращение переохлаждённого аустенита при непрерывном охлаждении.

При реальных скоростях охлаждения распад аустенита происходит ниже А₁ в интервале температур. Чем больше скорость охлаждения, тем ниже температура начала и конца превращения, и тем дисперснее образующаяся структура.

При охлаждении со скоростью υ₁ образуется перлит, υ₂- сорбит, υ₃- троостит. Бейнит в углеродистых сталях при непрерывном охлаждении не образуется.

При высокой скорости охлаждения υ₄ аустенит превращается в мартенсит, но не до конца, поэтому в закалённой стали кроме мартенсита присутствует остаточный аустенит.

Минимальная скорость охлаждения (υ_к), при которой весь аустенит переохлаждается до точки Mн и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки.

Критическая скорость закалки зависит от химического состава и размера зерна стали. Для углеродистых сталей она составляет 100-600°С⁄сек. Чем крупнее зерно и больше легирующих элементов, тем меньше критическая скорость закалки. Для легированных сталей она составляет 5-200 С⁄сек.

Критическую скорость закалки можно определить по формуле:

где А₁- температура эвтектоидной реакции;

t_min- температура минимальной устойчивости переохлаждённого аустенита;

τ_min- время минимальной устойчивости переохлаждённого аустенита в перлитной области.

Для разработки технологии термической обработки пользуются термокинетическими диаграммами, характеризующими фазовые превращения при непрерывном охлаждении.

Для эвтектоидной стали такая диаграмма имеет вид:

 

 

Из диаграммы видно, что для одинакового развития превращения при непрерывном охлаждении требуется больше времени и более низкая температура, чем при изотермическом распаде.

Фазовые превращения при нагреве закалённой стали

(при отпуске)

В результате закалки образуется мартенсит, характеризующийся большим количеством внутренних напряжений в металле. Поэтому после закалки проводится отпуск - нагрев закалённой стали ниже А₁, выдержка при этой температуре и охлаждение с определённой скоростью.

Превращения при отпуске

1. Распад мартенсита происходит ниже температуры 350°С. В этих условиях происходит выделение атомов углерода из решётки мартенсита и образование карбида железа Fe₂C в виде мельчайших дисков (пластин). В результате образуется мартенсит отпуска, состоящий из низкоуглеродистого мартенсита и мельчайших частиц цементита. Снимается часть внутренних напряжений и немного снижается твёрдость, легирующие элементы препятствуют этому процессу.

2. Превращение остаточного аустенита в мартенсит отпуска происходит при температуре 250-350°С.

 

3. Снятие внутренних напряжений и карбидное превращение происходит при температуре 350-400°С, в результате чего завершается процесс выделения углерода из α-раствора (мартенсита) и происходит карбидное превращение Fe₂C→Fe₃C. После такого отпуска сталь состоит из кристаллов феррита и мельчайших частиц цементита – троостит отпуска.

 

4. Коагуляция и сфероидизация карбидов протекает в интервале температур 400-700°С. Тонкопластинчатые карбиды приобретают округлую форму и укрупняются, в результате его троостит отпуска при температуре 500-600°С превращается в сорбит отпуска, а при температуре 650-700°С - в перлит отпуска.

 

Чем выше температура отпуска, тем сильнее снижается твёрдость стали и сильнее повышается пластичность и вязкость. Для некоторых сталей характерна отпускная хрупкость, т.е. снижение вязкости при отпуске.

Виды отпускной хрупкости

1. Обратимая отпускная хрупкость возникает при отпуске в интервале температур 250-400°С. Это связанно с выделением карбида из мартенсита по границам зерна. Её можно устранить нагревом выше 400°С.

2. Необратимая отпускная хрупкость возникает в некоторых легированных сталях если они медленно охлаждаются после отпуска при температуре 500-550°С. Если такую сталь охлаждать быстро, то хрупкость не возникает.

Старение углеродистой стали

Под старением понимают изменение свойств сплава, протекающее во времени без заметного изменения микроструктуры. Старение бывает термическое и деформационное, естественное (при комнатной температуре) и искусственное (при нагреве).

Термическое старение происходит в том случае, если металл был быстро охлаждён после нагрева, в результате не успел выделиться третичный цементит из феррита. При последующей выдержке при комнатной температуре (естественное старение) или при повышенной температуре (искусственное) происходит выделение третичного цементита, приводящее к небольшому повышению прочности.

Деформационное старение происходит после пластической деформации, если она выполняется ниже температуры рекристаллизации, в этом случае также происходит выделение карбидов, при этом повышается прочность и твёрдость, и резко снижается ударная вязкость.