Рост зерна аустенита при нагреве

Образующиеся при нагреве выше критической точки Ас₁ зерна аустенита получаются мелкими (рис. 8.3) и называются начальными зернами аустенита. При повы­шении температуры происходит рост зерен (рис. 8.4). Но склон­ность к росту зерен с повыше­нием температуры у сталей раз­личная. Стали, раскисленные в процессе выплавки только крем­нием (ферросилицием) и мар­ганцем (ферромарганцем), обла­дают повышенной склонностью к росту зерна с повышением температуры. Такие стали на­зывают наследственно крупно­ зернистыми (рис. 8.4). Стали, раскисленные дополнительно алюминием, мало склонны к росту зерна при нагреве до высоких температур (1000—1050 °С) и их называют наследственно мелкозер­нистыми (рис. 8.4).

Под наследственной зернистостью подразуме­вается склонность аустенитного зерна к увеличению размеров при повышении температуры.

При сильномнагреве наследственно мелкозернистых сталей наб­людается резкий рост зерна и его размер получается даже больше, чем у наследственно крупнозернистых сталей, нагретых до той же температуры. Такое поведение сталей объясняется тем, что присут­ствующий в них алюминий образует оксиды (А1₂О₃) и нитриды (A1N), которые в виде мелких включений располагаются по границам зерен аустенита и механически тормозят их рост. При определенной темпе­ратуре нагрева происходит растворение включений в аустените; пре­пятствия, тормозившие рост зерен, устраняются, и зерна начинают расти очень быстро. Поэтому введено понятие о действитель­ном зерне аустенита, которое получается в результате той или иной операции термической обработки. От размера действительного зерна зависят механические свойства стали, главным образом вязкость, значительно понижающаяся с увеличением размера зерна

Размер наследственного зерна оказывает влияние на технологиче­ские свойства стали. Если, например, сталь наследственно мелкозер­нистая, ее можно нагревать до высокой температуры и выдерживать длительное время, не опасаясь роста зерна.

Для определения размера наследственного (аустенитного) зерна применяют различные методы. Например, для низкоуглеродистых цементуемых сталей применяют метод цементации, т. е. науглерожи­вание поверхности стали. В результате цементации (нагрев до 930 ± 10 ⁰С в углеродсодержащей смеси и выдержка при данной темпера­туре в течение 8 ч) поверхностный слой насыщается углеродом, со­держание которого в аустените достигает заэвтектоидной концентра­ции. При охлаждении из аустенита выделяется избыточный цементит, который располагается по границам зерен аустенита в виде сетки.

После полного охлаждения эта цементитная сетка окружает зерна перлита. Цементитная сетка, расположенная вокруг зерен перлита, показывает размер бывшего при нагреве аустенитного зерна. Подготов­ленную структуру стали рассматривают в микроскоп при увеличении в 100 раз и видимые под микроскопом зерна сравнивают с эталонными (рис. 8.5), предусмотренными стандартной шкалой размеров зерна.

§ 8.4. Распад аустенита.

Диаграмма изотермического превращенияаустенита

Распад аустенита может происходить только при температурах ниже 727 °С, когда свободная энергия аустенита выше свободной энергии продуктов его превращения. Из этого следует, что для рас­пада аустенита должно быть его переохлаждение. От степени переохлаждения, т. е. от температуры, при которой происходит распад аустенита, зависит скорость превращения и строение продуктов его распада. Закономерность этого процесса характеризуется диаграммой изотермического превращения переохлажденного аустенита, т. е. рас­падом аустенита при постоянной температуре.

Если сталь быстро охладить до температуры ниже критической точки A₁ (рис. 8.6, а) и затем выдержать при этой температуре, то превращение аустенита в ферритно-цементитную смесь будет прохо­дить в течение определенного времени. Такой процесс носит название изотермического превращения аустенита. После охлаждения стали до температуры ниже критической точки А₁ аустенит некоторое время (отрезок О — а на рис. 8.6, а) сохраняется нераспавшимся. Этот период времени называется "инкубационным. По истечении инкуба­ционного периода происходит распад аустенита на ферритно-цемен­титную смесь (отрезок а—в). Зависимость количества распавшегося аустенита от времени приведена на рис. 8.6, б.

По экспериментальным кривым распада аустенита, полученным для разных температур переохлаждения (t_t >t2 > t₃ > t₄ >t₅), мож­но построить диаграмму изотермического превращения аустенита.

Для этого экспериментальные кривые совмещают на одной диаграмме (рис. 8.7, а). По осям координат диаграммы изотермического превра­щения аустенита (рис. 8.7, б) откладывают время (ось абсцисс) и тем­пературу распада аустенита (ось ординат). Поскольку время распада аустенита может изменяться от нескольких секунд до нескольких часов, для удобства построения применяется логарифмическая шкала времени lg т. В этих координатах строят кривые начала и конца изо­термического превращения аус­тенита..

Полученные кривые по фор­ме подобны букве С и потому их и называют С-кривыми. Ле­вая кривая характеризует на­чало распада, а правая — окон­чание распада аустенита на ферритно-цементитную смесь. Область между осью ординат и кривой начала распада аусте­нита характеризует инкубацион­ный период.

Из диаграммы видно, что при некоторой температуре (t₃ на рис. 8.7) аустенит наименее ус­тойчив. На практике эта темпе­ратура для эвтектоидной стали равна 550—560 °С.

Горизонтальная линия М_н (рис. 8.7, б) показывает темпе­ратуру начала мартенситного превращения. Механизм этого превращения отличается от пер­литного и будет рассмотрен ниже.

Превращения выше и ниже изгиба С-образной кривой имеют

различный характер как по кинетике превращения, так и по форме продуктов распада. В соответствии с этим на диаграмме изотермиче­ского распада аустенита имеют место три характерные температурные области — перлитного, мартенситного и промежуточного (бейнит-ного) превращений.