Превращение перлита в аустенит.

 

Процесс превращения перлита в аустенит при нагреве в доэвтектоидной стали стали происходит следующим образом.

Сталь в межфазном состоянии представляет смесь фаз феррита и карбидов переменного состава Cr .При нагреве несколько выше критической точки Ас1 (700 С) на границе ферритной и цементитной фаз начинается превращение , приводящее к образованию низкоуглеродистого аустенита, в котором растворяется цементит (рис.5 б-г). Образующийся аустенит химически не однороден. Концентрация углерода в аустените на границе с цементитом значительно выше, чем на границе с ферритом.

Превращение  протекает быстрее, чем растворение цементита, поэтому когда вся - фаза (феррит) превращается в - фазу (аустенит), цементит ещё остаётся рис.5,д). После растворения всего цементита превращение заканчивается рис. (5,г), но образовавшийся аустенит имеет не равномерную 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 объёму.

 

 

 

Хром и никель понижают критическую точку Ас,  700 С и уменьшают склонность зерна аустенита к росту, поэтому легированная сталь 20ХН3А является наследственно мелкозернистой.

 

5.2. Распад переохлажденного аустенита.

Распад аустенита происходит при температуре ниже 700 С (критическая точка Ас1), когда свободная энергия выше свободной энергии продуктов его превращения. От степени переохлаждения зависит скорость превращения и строения продуктов распада. На рис.6 приведены режимы термической обработки стали 20ХН3А.

 

Рис.6. Диаграмма изотермического распада стали 20ХН3А.

 

Режимы охлаждения

V1 -- изотермический отжиг;

V2—закалка непрерывная;

Перлитное превращение. Распад аустенита с образованием перлита является диффузионным процессом и развивается в результате флуктуации состава(неоднородности в распределении углерода).

Как любой диффузионный процесс распад аустенита происходит путём возникновения зародышей (ч. з.) и роста их с определённой скоростью (с. р.).

В аустените, оказавшемся в неравновесном состоянии при температуре ниже А1, углерод диффундирует к наиболее дефектным местам кристаллической решётки, к местам скопления вакансий вблизи границ зёрен. Поэтому зародыши цементита образуются по границам зёрен аустенита.

Рост зародышей цементита происходит вследствие диффузии углерода из прилегающего аустенита, что приводит к обеднению углеродом аустенита, окружающего образовавшиеся пластинки цементита, и способствует превращению его феррит за счёт полиморфного превращения решётки Г.Ц.К. в О.Ц.К. Таким образом происходит рост перлитных колоний.

Структура стали 20ХН3А приведённая на рисунке 7:

 

Рис.7. Микроструктура стали 20ХН3А после изотермического отжига.

 

5.3. Мартенситное превращение.

При большом переохлаждении (вектор V2) углерод не успевает выделиться из из твердого раствора (аустенита) в виде частиц цементита, как это происходит при образовании перлита. Решётка -железа перестраивается в решётку -железа. Углерод остаётся внутри -железа, в результате чего получается пересыщенный твёрдый раствор углерода в -железе.

Значительное пересыщение -железа углеродом вызывает изменение объемно-центрированной кубической решётки в тетрагональную, Элементарной ячейкой которой является прямоугольный параллелепипед, рис.8:

Рис.8. Кристаллическая ячейка мартенсита.

Атомы углерода в такой ячейке располагаются в междоузлиях (что характерно для твёрдого раствора внедрения) или в центре основания (сторона а), или в середине удлинённых рёбер (сторона с). Степень тетрагональности:

 с/а=1.08

Мартенсит является перенасыщенным твёрдым раствором внедрения углерода в -железе.

Мартенситное превращение протекает ниже температуры 400 араллельных пластинок феррита и цементита характеризуется для всей перлитной области. неоднор С для стали 20ХН3А.

Для снятия внутренних напряжений в стали проводят отпуск при температуре 200-300 С.

При первом превращении из пересыщенного -раствора (мартенсит) выделяется углерод, поэтому тетрагональность решётки уменьшается и соотношение осей с/а приближается к единице. Содержание углерода в мартенсите снижается, он выделяется в виде мельчайших пластинок карбида железа, называемого  (эпсилан) — карбидом (FeхC), имеющем гексагональную решетку формулу, близкую с Fe2C.

Образовавшийся в результате первого отпуска мартенсит называется мартенситом отпуска. Он представляет собой смесь пересыщенного твёрдого раствора углерода в -железе неоднородной концентрации и карбида, ещё не полностью обособившегося от решётки мартенсита.

Рис.9. Микроструктура стали 20ХН3А после отпуска.

5.4. Механизм образования и строение цементованного слоя.

Диффузия углерод в стали возникает не только, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемом при дислокации газов, содержащих углерод (СО, СН4 и др.)

СН4

-- аустенит;

Атомарно углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла.

Скорость диффузии углерода возрастает с повышением температуры. Цементацию ниже Ас1 не выполняют, т. к. -железо растворяет мало углерода и цементованный слой состоит, главным образом только из очень тонкой корочки цементита.

Цементацию проводят при температурах выше Ас3 (800-850 С). В этом случае сначала диффундирует в решётку -железа. При достижении предела насыщения аустенита углеродом создаются условия для образования на поверхности зародышей новой фазы, устойчивой при данной температуре, а именно цементита. Постепенно на поверхности образуется сплошной слой цементита.

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине, убывающую от поверхности к сердцевине детали. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различать три зоны:

- заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита (1);

- эвтектоидную зону, состоящую из одного перлита (2);

- доэвтектоидную, состоящего из перлита и феррита (3). Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине, рис.10.

За толщину цементованного слоя принимается сумма заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной зон. Концентрация углерода в поверхностном слое составляет примерно 1,1%. Хром несколько повышает толщину цементованного слоя. Никель увеличивает скорость диффузии углерода.

 

Рис.10. Микроструктура цементованного слоя стали 20ХН3А.

П – перлит

Ф – феррит

Ц – цементит.

Контроль качества.