Отжиг сталей

Сл.2. Отжиг сталей (отжиг 2-го рода) – это термическая обработка, при которой главными процессами являются аустенитизация с последующим перлитным превращением.

ОБРАЗОВАНИЕ АУСТЕНИТА ПРИ НАГРЕВЕ

1. Механизм и кинетика аустенитизации

Перед образованием аустенита исходной структурой чаще всего является смесь α-фазы (о.ц.к.) и карбида. В углеродистых сталях аустенит при температуре несколько выше точки А₁ содержит около 0,8% С, в то время как феррит в исходной структуре содержит сотые доли процента углерода (рис. 69). Как же возникает участок γ-фазы с г.ц.к. решеткой и сравнительно высоким содержанием углерода в таких условиях?

Рис. 69. Диаграмма состояния Fe - C

Здесь нужно учесть, что механизм α  γ перестройки на стадии образования зародышей γ-фазы – сдвиговой. Об этом свидетельствуют игольчатая (точнее, пластинчатая) форма первых участков γ-фазы, появление рельефа на полированной поверхности шлифа.

При малой толщине плоского зародыша, образование которого связано с удвоением площади границ, выигрыш в объемной свободной энергии достаточен для развития превращения лишь в том случае, если новая граница когерентная (имеет низкую энергию). Такая граница характерна именно для сдвигового превращения.

В образовавшиеся по сдвиговому механизму первые участки γ-фазы из карбида диффузионным путем поступает углерод, и тогда такие участки становятся устойчивыми центрами роста аустенита при температурах выше A₁. По мере роста зародышей их граница из когерентной становится некогерентной и сдвиговый механизм сменяется нормальным механизмом роста аустенитных зерен. При этом игольчатость зародышей γ-фазы исчезает и из них формируются обычные равноосные зерна.

Картина роста сформировавшихся зерен аустенита достаточно ясна.

Сл.3. Рассмотрим изотермическое перлито-аустенитное превращение при температуре Т₁ на рис. 70.

Рис. 70. Участок диаграммы состояния Fe–С (а) и схема распределения концентрации углерода в аустените во время перлито-аустенитного превращения при температуре (б)

При этой температуре в соответствии с диаграммой состояния на границе с ферритом равновесная концентрация аустенита должна изображаться точкой а и на границе с цементитом – точкой b. Внутри аустенитного зерна устанавливается градиент концентраций ab (рис. 70, б). На границе аустенита с цементитом имеется большой скачок концентрации углерода bК, а на границе с ферритом – меньший скачок оа (на схеме концентрация углерода в феррите принята равной нулю).

Скорость изотермического роста аустенитного зерна контролируется диффузией углерода от границы А/Ц к границе А/Ф, выравнивающая диффузия понижает концентрацию углерода в аустените на границе А/Ц, сдвигая состав аустенита влево от точки b на рис. 70, а. Аустенит при этом становится ненасыщенным по отношению к цементиту, который растворяется, восстанавливая равновесную концентрацию точки b. На границе с ферритом выравнивающая диффузия повышает концентрацию углерода в аустените, сдвигая ее вправо от точки а на рис. 70, а. Аустенит при этом становится ненасыщенным по отношению к ферриту, который растворяется в аустените, повышая в нем концентрацию железа до равновесного состава точки а. Таким образом, аустенитное зерно разрастается в сторону и феррита, и цементита.

Скорость роста аустенитного зерна в сторону феррита намного больше, чем в сторону цементита. В результате к моменту исчезновения ферритных промежутков перлита всегда остается не полностью растворившийся цементит.

Собственно перлито-аустенитное превращение заканчивается с исчезновением ферритных промежутков. Затем продолжается растворение остатков цементита. По окончании его растворения аустенит неоднороден по концентрации углерода. В тех местах, где ранее находился цементит, концентрация углерода в γ-растворе повышена. Для выравнивания состава аустенита требуется дополнительное время после окончания фазового превращения.

Сл.4. Если в исходной структуре находится свободный, избыточный феррит, то граница аустенитного зерна продвигается и в его сторону. Но размер зерен свободного феррита на один-два порядка больше толщины ферритных промежутков в перлите. Поэтому время исчезновения свободного феррита превышает время исчезновения остатков перлита. После исчезновения свободного феррита на месте его зерен концентрация углерода в аустените понижена и идет процесс выравнивания состава внутри аустенитных зерен.

Кинетика образования аустенита изображается диаграммой изотермических превращений (рис. 71).

Рис. 71. Схема диаграммы изотермического образования аустенита в доэвтектоидной стали:

1 – исчезновение ферритных промежутков в перлите; 2 – исчезновение цементита; 3 – окончание гомогенизации аустенита на месте исчезнувших колоний перлита; 4 – исчезновение свободного феррита; 4' – прекращение перехода свободного феррита в аустенит ниже температуры А₃, 5 – окончание гомогенизации аустенита

Перлитно-аустенитное превращение начинается сразу же после перехода через температуру равновесия фаз, т. е. линия начала превращения практически сливается с горизонталью при температуре трехфазного равновесия (727° С). Это связано с легкостью зарождения аустенита на феррито-карбидной границе при αγ перестройке.

Температуры окончания образования аустенита и его гомогенизации повышаются с ростом скорости нагрева (см. точки пересечения кривых нагрева v₁ и v₂ с линиями диаграммы на рис. 71).

Сл.5. С увеличением дисперсности исходной структуры время окончания всех этапов аустенитизации уменьшается. Этому способствует увеличение градиента концентраций углерода в аустените, так как та же максимальная разность концентраций приходится на меньшую длину.

В углеродистых сталях образование и гомогенизация аустенита протекают быстро.

Гомогенизация аустенита идет гораздо дольше в легированных сталях. Легирующие элементы неравномерно распределены между ферритом и карбидом. Некарбидообразующие элементы находятся в феррите, а карбидообразующие – преимущественно в карбиде. По окончании перлито-аустенитного превращения аустенит неоднороден. В участках аустенита, соответствующих исчезнувшим частицам феррита и карбида, различна не только концентрация углерода, но и легирующих элементов.

Сл.6. 2. Размер аустенитного зерна

Размер аустенитного зерна – важнейшая структурная характеристика нагретой стали. От размера зерна аустенита зависят поведение стали в различных процессах термической и механической обработки и механические свойства изделия. Особенно чувствительна к размеру аустенитного зерна ударная вязкость, которая падает с укрупнением зерна.

С повышением температуры с.з.ц. аустенита возрастает более интенсивно, чем л.с.р., и соответственно аустенитное зерно в момент окончания аустенитизации получается мельче. Следовательно, при быстром нагреве до высоких температур и коротких выдержках можно получать мелкое аустенитное зерно, что важно для термообработки со скоростным нагревом.

По окончании аустенитизации зерна аустенита способны к росту, движущей силой которого является свободная энергия границ. С повышением температуры рост зерна аустенита ускоряется. Зерно может расти равномерно, как при собирательной рекристаллизации, но может наблюдаться и неравномерный рост, когда небольшое число крупных зерен аустенита растет за счет множества мелких, пока они не исчезнут – вторичная рекристаллизация.

Увеличение концентрации углерода в γ-растворе способствует росту зерна. Если содержания углерода становится сверх предельной концентрации в аустените (линия ES диаграммы состояния Fe–Fe₃C), то затрудняется рост аустенитного зерна, что объясняется тормозящим действием частиц цементита.

Почти все легирующие элементы тормозят рост аустенитного зерна. Исключение составляет Mn, который усиливает рост зерна аустенита. Наиболее сильно тормозят рост аустенитного зерна V, Ti, Al и Zr, хорошо тормозят рост зерна W, Мо и Cr и слабо действуют Ni и Si.

Основной причиной этого действия легирующих элементов считается образование труднорастворимых в аустените карбидов и оксидов, которые являются барьерами для растущего зерна. Такие активные карбидообразователи, как Ti, Zr и V, сильнее тормозят рост зерна, чем Cr, W и Мо, так как карбиды первых более устойчивы и труднее растворяются в аустените.

Сл.7. Разные плавки стали одной марки могут сильно различаться по склонности к росту аустенитного зерна, так как они содержат разные количества мельчайших примесей, карбидов, окислов, сульфидов и нитридов, затрудняющих рост зерна. Следовательно, склонность стали к росту зерна при нагреве зависит не только от ее состава по основным компонентам, но и от металлургического качества, технологии производства, т. е. от той ее истории, которая предшествует термообработке. В связи с этим различают наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые стали.

В наследственно крупнозернистой стали зерно интенсивно растет при относительно небольших превышениях температуры над точкой Ас₃. В наследственно мелкозернистой стали мелкое аустенитное зерно получается в широком диапазоне температур: от точки Ас₃ до 950–1100° С.

Различают наследственное зерно и действительное зерно аустенита. Наследственное зерно получается в стандартных условиях технологической пробы и характеризует склонность стали к росту зерна. Действительное зерно – это то зерно, которое получается в результате той или иной операции термообработки. Оно может быть больше или меньше наследственного зерна в зависимости от того, выше или ниже 930° С температура нагрева стали при термообработке.

Алюминий особенно сильно влияет на рост зерна аустенита при нагреве стали. Наследственно мелкозернистую сталь получают введением в ковш перед разливкой примерно 0,05% Al. Мельчайшие частички нитридов и окислов алюминия как барьеры тормозят рост зерен аустенита. Интенсивный рост зерна в наследственно мелкозернистой стали выше температур 950–1100° С объясняется растворением и возможно коагуляцией барьерных частиц.

Сл.8. Структурная наследственность и перекристаллизация аустенита

При охлаждении всех углеродистых и большинства легированных сталей аустенит претерпевает перлитное, мартенситное или бейнитное превращение. При повторном нагреве, когда вновь образуется аустенит, в определенных условиях размер, форма и кристаллографическая ориентировка его зерен могут быть такими же, как и у исходного зерна аустенита перед первым перлитным, мартенситным или бейнитным превращением. Такое наследование размера, формы и ориентировки аустенитного зерна называют структурной наследственностью.

Проявление структурной наследственности зависит от исходной (перед повторным нагревом) структуры стали и ее состава, от скорости этого нагрева и температуры аустенитизации. Наиболее ярко структурная наследственность проявляется, если перед повторным нагревом сталь имела мартенситную или бейнитную структуру. У стали с феррито-перлитной структурой исходное аустенитное зерно обычно не наследуется.

Для мартенситной, бейнитной, а также видманштеттовой структур общей чертой является кристаллографическая упорядоченность: в пределах объема зерна исчезнувшего аустенита пластины α-фазы имеют определенную кристаллографическую ориентировку. При нагреве стали зародыши γ-фазы в свою очередь закономерно ориентированы относительно пластин α-фазы, в результате чего в объеме исходного аустенитного зерна при небольших перегревах выше точки А₃ формируется точно такое же аустенитное зерно, называемое восстановленным.

Таким образом, для восстановления аустенитного зерна при повторном нагреве стали необходимо, во-первых, проявление наследственности при охлаждении (образование кристаллографически упорядоченного комплекса α-кристаллов в пределах каждого исходного аустенитного зерна) и, во-вторых, проявление наследственности при последующем нагреве стали (переход указанного комплекса α-кристаллов в одно восстановленное аустенитное зерно).

Сл.9. Если при нагреве стали выше точки А₃ вначале наследовалось крупное зерно аустенита, то при последующем повышении температуры, восстановленное зерно аустенита вместо того, чтобы укрупняться, может измельчаться. Этот процесс структурной перекристаллизации является рекристаллизационным. Только в отличие от обычной: первичной рекристаллизации, когда необходимая для формирования ее зародышей повышенная плотность дислокаций создается деформацией металла внешними силами, в рассматриваемом случае повышенная плотность дислокаций возникает при внутреннем фазовом наклепе.

Фазовый наклеп – это повышение плотности дислокаций в новой фазе в ходе фазового превращения. Он может возникать при любом фазовом превращении из-за разности удельных объемов старой и новой фаз, а также при мартенситном превращении, когда дополнительная (аккомодирующая) деформация обязательно сопровождает образование каждого кристалла.

Сл.10. ДИФФУЗИОННЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ АУСТЕНИТА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ

1. Перлитное превращение

Основное превращение, протекающее во время охлаждения при отжиге стали – это эвтектоидный распад аустенита на смесь феррита с карбидом. Кинетика эвтектоидного превращения изображается С-образными кривыми на диаграмме изотермического превращения аустенита (рис. 72).

Рис. 72. Диаграмма изотермического распада аустенита в эвтектоидной стали; А – устойчивый аустенит; А_п – переохлажденный аустенит; Ф – феррит; К – карбид

При температуре 727° С аустенит находится в термодинамически устойчивом равновесии со смесью феррита и цементита. Чтобы начался распад аустенита, необходимо его переохладить ниже 727° С.

Устойчивость переохлажденного аустенита характеризуется инкубационным периодом (от оси ординат до левой С-кривой, рис. 72).В эвтектоидной стали при температурах около 550° С переохлажденный аустенит наименее устойчив.

Перлит растет из отдельных центров в виде колоний (рис. 73, 74).

Рис. 73. Схема зарождения торцевого и бокового роста двух перлитных колоний

Рис. 74. Строение перлита около границы колонии

Зародышем перлитной колонии может быть или цементит (рис. 73, а), или феррит, зарождение которых облегчено на границе аустенитных зерен. При утолщении цементитной пластины вблизи нее аустенит обедняется углеродом и создаются условия для зарождения путем полиморфного γα превращения ферритных пластин, примыкающих к цементитной (рис. 73, б). При утолщении же ферритной пластины, практически не содержащей углерода, он оттесняется в аустенит, в результате чего создаются благоприятные условия для появления новых цементитных пластин и т. д. (рис. 73, г, д).

Внутри перлитной колонии пластины феррита и цементита сопрягаются гранями(101)_ц и (112)_ф или (001)_ц и (125)_ф. Соответствующие кристаллографические плоскости в решетках феррита и цементита имеют очень близкое строение.

Кроме бокового, идет торцовый рост пластин феррита и цементита (см. рис. 73, б и в). Перед торцами пластин феррита и цементита концентрация углерода в аустените соответственно повышена и понижена, т. е. существуют градиенты концентрации перпендикулярно и параллельно фронту превращения (при росте одной фазы градиент концентраций только перпендикулярен фронту превращения).

Рост перлитной колонии контролируется диффузионным перераспределением углерода параллельно фронту превращения в объеме аустенита и прямо по границе перлитной колонии. Совместный рост двухфазной колонии путем диффузионного перераспределения компонентов – наиболее характерная особенность перлитного превращения.

Сл.11. Скорость роста колонии и межпластиночное расстояние (суммарная толщина пластин феррита и цементита или, что то же самое, расстояние между серединами ближайших одноименных пластин) постоянны при данной степени переохлаждения аустенита.

Межпластиночное расстояние в перлите S – важнейшая структурная характеристика. С его уменьшением прочностные свойства стали возрастают. У стали эвтектоидного состава

σ_в = σ₀ + KS^-1 (29)

В эвтектоидной стали при распаде аустенита в области температур от А₁ до ~650° С межпластиночное расстояние в колониях равно 0,5–1 мкм, двухфазное строение колоний хорошо видно при средних увеличениях микроскопа. Такой эвтектоид называют перлитом. При распаде аустенита в интервале температур примерно 650–600°С межпластиночное расстояние равно 0,4–0,2 мкм, двухфазное строение колоний выявляется лишь при больших увеличениях светового микроскопа (предельное разрешаемое расстояние светового микроскопа – 0,2 мкм). Такой эвтектоид называют сорбитом. Распад аустенита в интервале температур 600–500° С дает очень тонкую эвтектоидную смесь с межпластиночным расстоянием около 0,1 мкм. Двухфазное строение такого эвтектоида, называемого трооститом, выявляется только под электронным микроскопом.

Сл.12. При непрерывном охлаждении указанные структуры образуются в углеродистой эвтектоидной стали в следующих условиях: перлит – при охлаждении стали из аустенитного состояния вместе с. печью со скоростью несколько градусов в минуту, сорбит – при охлаждении на воздухе со скоростью несколько десятков градусов в минуту, троостит – при охлаждении в масле со скоростью несколько десятков градусов в секунду.

В стали с 0,8% С твердость перлита, сорбита и троостита равна приближенно 170–230, 230–330 и 330–400 НВ соответственно.

Перлитное превращение в эвтектоидной стали протекает при диффузионном распаде аустенита в интервале от A₁ до температур вблизи изгиба («носа») С-кривой (см. рис. 72). Ниже изгиба С- кривой в интервале примерно 500–250° С происходит превращение другого типа – бейнитное, которое является промежуточным между перлитным и мартенситным.