Утворення аустеніту при нагріванні

Процес аустенітизації при нагріванні легованих сталей складається з поліморфного a↔g-перетворення, розчинення цементиту й спеціальних карбідів в аустеніті, рекристалізації аустеніту.

Перекристалізація сталі.Садовський В.Д. зі співробітниками вважають, що утворення аустеніту при нагріванні може проходити за двома конкуруючими механізмами фазових перетворень: кристалографічно неупорядкованому й упорядкованому.

При неупорядкованому механізмі утворення аустеніту, поліморфне a↔g-перетворення супроводжується перекристалізацією, тобто зміною величини й орієнтації зерен g-фази, що утворюються знову, стосовно вихідної a-фази. При впорядкованому механізмі перехід не супроводжується перекристалізацією, що протікає при більш високих температурах внаслідок первинної рекристалізації фазонагартованого при зсувному перетворенні аустеніту. Той або інший механізм перекристалізації визначається типом вихідної структури, її кристалографічною впорядкованістю. При вихідній неупорядкованій структурі (ферито-карбідна суміш – ФКС) має місце тільки неупорядкований механізм перекристалізації. При вихідній упорядкованій структурі (мартенсит, бейніт, відманштетовий ферит) може спостерігатися той або інший механізм перекристалізації. У цьому випадку реалізація одного з них буде визначатися легованістю сталі й швидкістю нагрівання.

Вихідна невпорядкована структура.У практиці термічної обробки конструкційних і інструментальних сталей найчастіше нагріванню для аустенітизації піддається сталь, що має вихідну кристалографічну неупорядковану структуру ферито-карбідної суміші (ферито-перлітна, перлітна, перлітна з надлишковими карбідами). Схема невпорядкованого (нормального) механізму утворення аустеніту представлена на рисунку 3.1.

При нагріванні сталі вище критичних точок, відбувається поліморфне перетворення, при цьому, як думають багато вчених, зародки аустеніту завжди утворюються за зсувним механізмом, але цей процес збігається з рекристалізацією нагартованого при фазовому перетворенні аустеніту.

Рисунок 3.1 – Схема перекристалізації сталі з вихідною неупорядкованою структурою при нагріванні й охолодженні

По цьому при переході через критичну точку утворюється дрібне зерно аустеніту. Процеси фазового переходу й рекристалізації при такому механізмі збігаються. Подальше нагрівання в аустенітну область приведе до росту зерна аустеніту (збірної рекристалізації).

Процес фазової перекристалізації при невпорядкованій вихідній структурі ферито-карбідної суміші в вуглецевих і легованих сталях розрізняється мало. Зерно аустеніту, що утворилося, в усіх сталях дрібне. Істотне розходження між вуглецевими й легованими сталями проявляється при підвищенні температури в аустенітній області, коли відбувається зростання зерна аустеніту, їх збірна рекристалізація.

Вихідна впорядкована структура. Структурна спадковість в сталі.Механізм фазової перекристалізації при нагріванні вихідної впорядкованої структури помітно складніший, ніж «нормальний» механізм перекристалізації.

За певних умов сталь втрачає здатність до перекристалізації при a↔g-перетворенні. Нагрівання грубозернистої впорядкованої структури вище А_С3 може викликати утворення зерен аустеніту тієї ж форми, розміру й орієнтації, що й вихідне зерно сталі. Відбувається відновлення вихідного зерна. Таке явище називається структурною спадковістю сталі. Вихідне крупне зерно перегрітої і загартованої сталі може залишитися після повторного загартування від нормальної температури А_С3+(30…50°C), тобто відновлюється вихідне зерно, а перекристалізація сталі не відбувається (рисунок 3.2). Така картина спостерігається лише при певному легуванні сталі й певних швидкостях повторного нагрівання.

В залежності від легування й швидкості нагрівання можна згрупувати сталі за ступенем прояву структурної спадковості. Нижче за даними В.І. Зельдовича показаний вплив легування і швидкості нагрівання на прояв структурної спадковості (знак «+» означає прояв структурної спадковості, а «-» її відсутність) в сталі (таблиця 3.1).

Чим більш легована сталь, тим ширше діапазон швидкостей нагрівання при яких проявляється структурна спадковість.

Легування впливає на критичну швидкість нагрівання, при якій спостерігається відновлення вихідного крупного зерна, при повторному нагріванні вище А_С3 і не відбувається утворення дрібнозернистого аустеніту.

а - вихідна впорядкована структура – мартенсит; б – відновлення крупного зерна аустеніту при повільному нагріванні (2°С/хв) вище А_С3

Рисунок 3.2 – Структурна спадковість в сталі 37ХН3Т, х300

Таблиця 3.1 – Вплив швидкості нагріву на структурну спадковість сталі

Для легованої сталі на рисунку 3.3 наведена схема, що спрощено показує процес формування зерна при нагріванні й охолодженні сталі з вихідною впорядкованою структурою.

При швидкому нагріванні загартованої і невідпущеної сталі, реалізується особливий кристалографічно впорядкований механізм утворення аустеніту, у результаті чого відбувається відновлення зерна вихідної структури. По мірі зменшення швидкості нагрівання розвиваються процеси відпуску й нормальний, контрольований дифузією механізм утворення аустеніту, що супроводжується подрібненням зерна. При досить повільному (1...2 град/хв) нагріванні багатьох сталей аустеніт утворюється також за кристалографічно впорядкованим механізмом, у результаті чого при такому нагріванні спостерігається відновлення зерна вихідної структури, тобто різко виражена структурна спадковість.

Рисунок 3.3 – Схема перекристалізації сталі з вихідною впорядкованою структурою при нагріванні й охолодженні

Збільшення швидкості нагрівання веде до порушення впорядкованості в процесі формування аустенітної структури і подрібнення зерна. Аустеніт, що утворився при впорядкованому a®g-переході, є фазово нагартованим. При температурі нагрівання вище температури рекристалізації відбувається рекристалізація аустеніту і тільки тоді зерно аустеніту подрібнюється. При проміжних швидкостях нагрівання (100 – 150°С/хв), коли встигає пройти повний розпад мартенситу до початку a®g-переходу, структурна спадковість сталі не проявляється. При цьому a®g-перехід збігається з рекристалізацією й зерно відразу ж виходить дрібним, тобто реалізується нормальний неупорядкований механізм рекристалізації.

Спеціальні карбіди Cr, Mo, W, V, Ti, виділяючись при нагріванні по межах мартенситних кристалів, затримують процес рекристалізації до температури розчинення карбідів в аустеніті.

Структурна спадковість добре проявляється в конструкційних сталях 30ХГСА, 37ХНЗА, 20Х2Н4А. У високолегованих сталях (швидкорізальні сталі, що мартенситостаріють, нержавіючі, мартенситні й ін.) структурна спадковість проявляється в широкому діапазоні швидкостей нагрівання, тобто не тільки при швидкому й повільному нагріванні, але й при проміжних помірних швидкостях нагрівання. У таких сталях структурна спадковість спостерігається у звичайно прийнятих на практиці умовах нагрівання, тому що відновлене зерно аустеніту тривалий час не рекристалізується. Так, у швидкорізальних сталях, незалежно від швидкості нагрівання, при аустенітизації при повторному нагріванні під загартування відбувається відновлення вихідного зерна й спостерігається нафталіністий злам. В сталях, що мартенситостаріють, відновлення крупного зерна відбувається при звичайній технології їх термічної обробки.

Поиск по сайту: