Превращение аустенита в перлит при равновесном охлаждении сплава. Диаграмма изотермического распада аустенита

Образование аустенита из перлита при нагреве углеродистых сталей.

Для определённости будем рассматривать эвтектоидную сталь (содержание 0,8% углерода) и имеющую в равновесии структуру перлита. При нагреве этой стали перлит превращается в аустенит согласно диаграмме состояния при температуре 727 ⁰С. Однако такое превращение будет наблюдаться только при очень медленном, равновесном нагреве этой стали. В реальных условиях нагрева, данное превращение всегда происходит при нагреве, т.е. при температурах превышающих 727 ⁰С. Чем выше степень нагрева, т.е. чем больше температура превышает 727 ⁰С, тем быстрее идёт превращение перлита в аустенит. Данный процесс состоит из двух элементарных под процессов, а именно: из полиморфного превращения α → γ железо и растворение углерода в цементите в γ – железе. Полиморфное превращение обычно опережает процесс растворения, поэтому для завершения превращения требуется некоторое время. Зёрна перлита и в начальный момент оказываются сравнительно маленькими, однако с увеличением температуры нагрева они увеличиваются в размерах, причём по разному для различных сталей. Существуют наследственно мелкозернистые и крупнозернистые, которые отличаются по склонности к росту зерна, в зависит от химического состава. При высокой температуре нагрева, зёрна аустенита могут оказаться очень большими, что ведёт к ухудшению свойства стали, такое явление называется перегревом стали. Перегрев можно исправить охлаждением и нагревом до более низкой температуры. При больших температурах нагрева может наблюдаться окисление по границам зёрен аустенита, такое явление называют пережогом стали. Это неустранимый дефект.

При температуре 727 ⁰С и ниже, аустенит оказывается неустойчивым и распадается, т.е. испытывает превращение. Это превращение может происходить как при некотором охлаждении стали, либо при некоторой постоянной температуре выдержке меньшей 727 ⁰С. В последнем случае превращение называют изотермическим превращением. Т.к. аустенит распадается на смесь феррита с цементитом сильно отличающихся от исходной фазы, то для этого процесса требуется достаточное время и диффузионная подвижность атомов. Т.е. процесс распада аустенита в феррито-цементитную смесь по сути носит диффузионный характер. С увеличением степени переохлаждения аустенита, т.е. с уменьшением температуры аустенита, с одной стороны скорость распада аустенита нарастает, а с другой стороны уменьшается из-за снижения подвижности атомов при низких температурах. Это обстоятельство отражает кинетические кривые распада аустенита, т.е. кривые показывают долю распавшегося аустенита с течением времени.

момент распада аустенита. время завершения распада для разных температур выдержки.

По характеру кинетических кривых распада видно, что сначала скорость распада аустенита нарастает, достигает максимума, затем уменьшается до 0. При этом, в зависимости от температуры выдержки, изменяется момент начала и завершения момента распада.

На основе кинетических кривых строят диаграмму изотермического распада. Для этого на график зависимости T – t наносят моменты начала и завершения распада аустенита при различных температурах выдержки (T₁ – T₅).

Точки начала и завершения процесса превращения при их соединении образуют S –образные кривые начала и завершения процесса превращения. На этой диаграмме изотермического распада аустенита выделяется 6 характерных областей:

1. Область аустенита.

2. Область переохлаждённого аустенита.

3. Область превращения аустенита в феррито-цементитную смесь.

4. Область завершения превращения аустенита в феррито-цементитную смесь.

5. Зона мартенситного превращения.

6. Зона завершившегося превращения аустенита в мартенсит.

Горизонтальная линия М_Н обозначает начало мартенситного превращения. Для эвтектоидной стали эта температура составляет 240 ⁰С. Линия обозначает нижний край мартенситного превращения, т.е. температуру при которой завершается мартенситное превращение. Для эвтектоидных сталей это – 50 ⁰C. Согласно диаграмме изотермического распада неустойчивость переохлаждённого аустенита сначала нарастает, а при дальнейшем понижении температуры уменьшается. Наибольшую не устойчивость имеет аустенит при температуре выдержки T₃. T₃ на 150 – 200 ⁰C ниже температуры 727 ⁰C. Диаграмма изотермического распада позволяет установить конечную структуру сталей после термической обработки. Если известна температура выдержки или скорость превращения.

Сорбит – механическая смесь феррита с цементитом, но отличается более мелкими зёрнами. При температуре выдержки аустенита от 550 – 600 ⁰C образуются ещё более мелкие зёрна феррита с цементитом. Такую механическую смесь называют трооститом. Т.о. перлит, сорбит и тростит по сути является тем же самым, т.е. механической смесью перлита с цементитом, но отличаются только степенью дисперсности. Чем выше степень дисперсности, тем выше прочностные характеристики материала. При температуре выдержки ниже 500 ⁰C резко уменьшается подвижность атомов и образуется непрерывная структура, которую называют бейнитом. Он так же является смесью феррита с цементитом, но феррит в бейните имеет повышенное, не равновесное, содержание углерода. Если перлит, сорбит и троостит формируются при относительно высоких температурах, в мелких матрицах аустенита и имеют округлую форму зёрен, то бейнит формируется при сравнительно низких температурах, в сравнительно твёрдой матрице аустенита, поэтому зёрна бейнита приобретают резкую игольчатую форму. По этой причине бейнит иногда называется игольчатым трооститом.