Организационно-правовые формы автотранспортных предприятий

Из сказанного следует, что как только созданы надлежащие условия, зарождаются центры кристаллизации и из них растут кристаллы. Процесс этот происходит во времени и может быть изображен в виде так называемой кинетической кривой превращения, показывающей количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения (рис.8.3.).

 

Рис.8.3. Кинетическая кривая превращения аустенита в перлит

 

Начальный период характеризуется  весьма малой скоростью превращения - это так называемый инкубационный период, или период инертности. Точка а на кривой показывает момент, когда обнаруживается начало превращения (обычно это соответствует образованию 1 % перлита). На кривой степень превращения - время видно, что скорость превращения возрастет по мере того, как развивается превращение. Максимум скорости превращения соответствует примерно тому времени, когда превратилось ~50 % аустенита. В дальнейшем скорость превращения уменьшается и, наконец, превращение заканчивается.

Скорость превращения  зависит от степени переохлаждения. При малых и значительных переохлаждениях превращение происходит медленно, так как малы значения с.к. и ч.ц. В первом случае - из-за малой разности свободных энергий, во втором - из-за малой диффузионной подвижности атомов. При максимальной скорости превращения кинетические кривые идут круто вверх и превращение заканчивается за малый отрезок времени.

На рис.8.4. показано время  превращения аустенита в перлит в зависимости от степени переохлаждения, т.е. превращение переохлажденного аустенита при постоянной температуре. Поэтому такие диаграммы обычно называют диаграммами изотермического превращения аустенита. Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита имеют вид буквы С, поэтому их часто называют С-образными или просто С-кривыми.

При высоких температурах, т.е. при малых степенях переохлаждения, получается достаточно грубая (легко дифференцируемая под микроскопом) смесь феррита и цементита. Эта смесь называется перлитом.

При более низких температурах и, следовательно, при больших степенях переохлаждения дисперсность структур возрастает и твердость продуктов повышается. Такой более тонкого строения перлит получил название сорбита.

При еще более низкой температуре (что соответствует  изгибу С-кривой) дисперсность продуктов  еще более возрастает, и дифференцировать под оптическим микроскопом отдельные составляющие феррито-цементитной смеси становится почти невозможно, но при наблюдении под электронным микроскопом пластинчатое строение обнаруживается вполне четко. Такая структура называется трооститом.

Таким образом, перлит, сорбит и троостит - структуры с одинаковой природой (феррит + цементит), отличающиеся степенью дисперсности феррита и цементита.

Перлитные структуры  могут быть двух типов: зернистые (цементит в них находится в форме зернышек) или пластинчатые (в форме пластинок).

Однородный (гомогенный) аустенит всегда превращается в пластинчатый перлит. Следовательно, нагрев до высокой температуры, который создает условия для образования более однородной структуры, способствует появлению пластинчатых структур. Неоднородный аустенит при всех степенях переохлаждения дает зернистый перлит, следовательно, нагрев до невысокой температуры приводит при охлаждении к образованию зернистого перлита. Вероятно, оставшиеся не растворенными в аустените частицы, являющиеся дополнительными центрами кристаллизации, способствуют образованию зернистого цементита.

 

Рис.8.4. Наложение на диаграмму изотермического распада аустенита кривых охлаждения. Схемы структур и их твердость

 

Превращения выше и ниже изгиба С-кривой отличаются по кинетике превращения и по форме продуктов распада.

Выше изгиба С-кривой, т.е. при малых переохлаждениях, превращение  начинается из немногих центров, и кристаллы  перлита растут до столкновения. Ниже изгиба С-кривой возникает игольчатая микроструктура, образуются иглы-пластины, рост которых ограничен, и превращение происходит главным образом путем появления новых кристаллов.

Образующаяся ниже изгиба С-кривой игольчатая структура получила название бейнит. Превращение аустенита в бейнит имеет общие черты с перлитным и мартенситным превращениями, поэтому с бейнитным превращением следует познакомиться после изучения превращения аустенита в мартенсит.

Следовательно, в зависимости  от содержания углерода и степени  переохлаждения существуют следующие области превращения аустенита:

I - превращение аустенит - перлит;

II - предварительное выделение феррита и затем превращение аустенит - перлит;

III - предварительное выделение цементита и затем превращение аустенит - перлит;

IV - превращение аустенит - бейнит;

V - превращение аустенит - мартенсит и распад остаточного аустенита с образованием бейнита;

VI - превращение аустенит - мартенсит;

VII - переохлажденный аустенит сохраняется без превращения.

Из рис.8.4. видно, что  все скорости, большие, чем v_k (v_k - кривая охлаждения, касательная к выступу С-кривой), приводит к образованию мартенсита, а меньшие - к распаду аустенита в верхнем районе температур.

Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения, называется критической скоростью закалки. Чтобы закалить сталь, ее следует охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая. Другими словами, чем медленнее происходит превращение аустенита в перлит, тем легче переохладить аустенит до температур мартенситного превращения и тем меньше критическая скорость закалки.

 

8.3. Мартенситное превращение

 

Если скорость охлаждения стали от высоких температур (выше Ас₃) становится достаточно большой (V > V_кр) для подавления распада аустенита на феррито-цементитную смесь, то аустенит испытывает мартенситное превращение [Feg(С) = Fа(С) или А = М) с образованием новой фазы в стали - мартенсита.

Мартенсит в углеродистой стали есть пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в решетку Fe_a.

Под мартенситным превращением понимается особый вид фазового превращения в твердом теле, протекающего по бездиффузионному, сдвиговому механизму, называемому мартенситным, а под мартенситом - продукт такого превращения.

Можно выделить следующие  характерные особенности мартенситного  превращения в стали:

1. Мартенситное превращение  - бездиффузионное. Концентрация  углерода в мартенсите такая же, как и в исходном аустените, мартенсит - перенасыщенный твердый раствор углерода в Fе.

2. Механизм А = М  превращения носит сдвиговый  характер, поэтому напряжения, возникающие при охлаждении и превращении, являются определяющими для кинетики мартенситного превращения. В процессе превращения атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные; при этом соседи любого атома в аустените остаются его соседями в мартенсите.

3. Несмотря на то, что  относительные перемещения атомов  малы, абсолютные смещения атомов при мартенситном превращении могут достигать значительных макроскопических размеров (при этом происходит изменение формы превращенного объема аустенита), что является следствием сдвигового механизма превращения и приводит к образованию на поверхности стали характерного рельефа..

4. Кристаллическая решетка мартенсита в сталях не кубическая как у Fe_a, а тетрагональная (о.ц.т.), при этом тетрагональность решетки (отношение параметров с/а) линейно увеличивается с ростом содержания в стали углерода, а в ряде высоколегированных сталей зависит от содержания легирующих элементов.

5. Между кристаллическими  решетками аустенита и мартенсита  существует определенное кристаллографическое соответствие.

6. Наиболее типичной  формой мартенситного кристалла  является пластина или линза с малым отношением толщины к другим линейным размерам, имеющая сложное внутреннее строение. Форма мартенситных кристаллов соответствует минимуму упругой энергии, возникающей при мартенситном превращении.

7. Время образования  одного кристалла мартенсита  менее 10^-7с, а скорость его роста более 10⁵ см/с, т.е. близка к скорости звука в твердом теле и не зависит от температуры превращения.

8. А = М превращение  протекает в определенном температурном  интервале: начинается при температуре Мн и заканчивается при более низкой температуре Мк (эти температуры называются мартенситными точками).

9. Температура Мн в широком диапазоне скоростей охлаждения не зависит от ее величины, а А = М превращение невозможно подавить даже при самых больших скоростях охлаждения.

10. Мартенситные точки  зависят от состава стали; сильно Мн и Мк снижает углерод.

11. А = М превращение  не идет до конца: в стали  всегда существует так называемый  остаточный аустенит, количество  которого увеличивается при понижении точки Мн, например за счет легирования углеродом.

12. Приложение внешних упругих напряжений или деформаций увеличивает количество образуемого мартенсита и повышает температуру начала его образования.

 

8.4. Бейнитное превращение

 

Бейнитное превращение (названное так по имени ученого Э.Бейна) переохлажденного аустенита происходит в интервале температур ниже перлитного и выше мартенситного интервала превращений, поэтому его иногда называют промежуточным.

Определяющей особенностью бейнитного превращения является то обстоятельство, что оно протекает в интервале температур, когда практически отсутствует самодиффузия железа и диффузия легирующих элементов, но интенсивно может протекать диффузия углерода.

Обычно бейнит делят  на верхний и нижний, образующийся соответственно в верхнем и нижнем интервале температур бейнитного превращения. Нижний бейнит по своей природе и свойствам мало отличается от изотермического мартенсита.

 

8.5. Превращения при отпуске

 

Отпуск заключается  в нагреве закаленной стали, структура  которой состоит из тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита, до температур ниже A_с1 выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Так как мартенсит представляет собой перенасыщенный твердый раствор углерода в Fe_а, то структура закаленной стали является нестабильной и при отпуске протекают процессы, приводящие к равновесному состоянию стали, что, очевидно, будет достигаться выделением углерода из мартенсита и остаточного аустенита.

Первая стадия распада  при отпуске заключается в  выделении углерода из мартенсита, при этом наряду с твердым раствором исходной концентрации по углероду, в котором не произошло выделение карбидов, появляется мартенсит, содержащий значительно меньше углерода (0,25-0,35 %); поэтому эта стадия распада называется двухфазной. Скорость первой, двухфазной стадии распада увеличивается при уменьшении содержания в стали углерода. В процессе первого превращения при отпуске закаленной стали образуется е-карбид с гексагональной плотноупакованной решеткой с параметрами а = 0,273 нм, с = 0,433 нм. Химический состав е-карбида Fe₂C.

На второй стадии отпуска (200-300 °С) основным процессом является распад остаточного аустенита. В основных чертах процесс аналогичен бейнитному превращению. Продуктом распада остаточного аустенита является гетерогенная смесь, состоящая из пересыщенного а  твердого раствора и карбидной фазы. Наряду с распадом остаточного аустенита, при 200-300 °С тетрагональность решетки мартенсита продолжает уменьшаться, что свидетельствует о дальнейшем выделении углерода из мартенсита.

К началу третьего превращения (300 °С), фазовый состав стали состоит из отпущенного малоуглеродистого мартенсита с кубической решеткой и пластинок цементита. При третьем превращении происходит полный дораспад мартенсита и подрастание цементитных пластин. По мере подрастания цементитных пластин происходит срыв когерентности решетки цементита и мартенсита, благодаря чему уменьшаются внутренние напряжения.

Игольчатый характер строения мартенсита сохраняется до высоких температур и только при продолжительном отпуске при 650 °С вместо игольчатой мартенситной структуры наблюдаются равновесные мелкие ферритные зерна. Дальнейшее повышение температуры приводит к процессам возврата (преимущественно уменьшению плотности дислокаций) в феррите и рекристаллизации ферритных зерен.

Сталь, отпущенная при 350-500 °С, имеет структуру троостита, а при 500-600°С - структуру сорбита. Эти структуры представляющие собой смесь цементита и феррита, различаются по твердости и степени дисперсности цементитных частиц.

 

8.6. Влияние термической обработки  на свойства стали

 

В результате термической обработки существенно изменяются свойства стали. Наибольшее значение имеют механические свойства. В отожженном, нормализованном или отпущенном состоянии сталь состоит из пластичного феррита и включений карбидов (цементита). Феррит обладает низкой прочностью и высокой пластичностью, цементит же при нулевом значении удлинения и сужения имеет твердость 800 НВ.

Для получения высокого комплекса механических свойств  следует стремиться к тому, чтобы после закалки получалась мелкоигольчатая мартенситная структура, что достигается лишь при исходной мелкозернистой аустенитной структуре.