Третьяков_Метод_ДЗ_Матмоделирование (831919), страница 5
Текст из файла (страница 5)
При нагреве стали вплоть до температуры линии АС1 нарис. П1 перлит сохраняет пластинчатое строение. По достиженииэтой температуры начинается превращение перлита в аустенит.Кристаллы аустенита преимущественно зарождаются на межфазных границах феррита с цементитом. Экспериментальные данныеуказывают на двустадийное формирование зародышей аустенита.Первая стадия – полиморфное α→γ-превращение по сдвиговомумеханизму с образованием метастабильного малоуглеродистогоаустенита.
Вторая стадия – увеличение концентрации углерода втаком аустените с приближением состава к равновесному вследствие растворения в аустените частиц карбида.Закалку заэвтектоидной стали осуществляют при нагреве на50…80 оС выше линии АС1 (в двухфазной области «аустенит + вторичный цементит»). После закалки сталь приобретает структуру,состоящую из мартенсита, зерен вторичного цементита (не растворившегося при нагреве под закалку) и остаточного аустенита. Кристаллы (иглы) мартенсита небольших размеров; температура окончания мартенситного превращения Мк стали с повышением содержания углерода снижается более чем на 50 оС.
По этой причине встали присутствует небольшое (не более 5…10 %) количество остаточного аустенита.37Повышение температуры закалки выше линии АСт вызываетрастворение вторичного цементита и способствует росту зерна. После закалки видны под микроскопом крупные иглы мартенсита иостаточный аустенит, количество которого возрастает до 20…30 %.Структура закалки мартенсита образуется в результате переохлаждения высокотемпературной фазы стали, аустенита, до определенных температур. Качество структуры закалки определяется состоянием исходной высокотемпературной фазы.
В связи с этимрассмотрим основные этапы формирования структуры аустенитапри нагреве стали под закалку.Структурные превращения при нагреве углеродистых сталейпод закалку. Зародыши с решеткой γ-железа непрерывно возникаюти исчезают в феррите в результате самопроизвольной перестройкирешетки по причине энергетических флуктуаций. Однако ферритможет находиться в равновесии только с аустенитом, состав которогосоответствует линии GS на рис. П1; поэтому для превращения в районе температуры линии А1 устойчивым зародышем, т.
е. зародышем,рост которого сопровождается уменьшением свободной энергии, может быть лишь зародыш с 0,8 % углерода. Вероятность образованиятакого зародыша в результате самопроизвольного пераспределенияуглерода, растворенного в феррите, ничтожно мала по сравнению свероятностью его образования на поверхности раздела с цементитом, вкотором концентрация углерода в 300 раз выше, чем в феррите. Соседство с таким богатым источником углерода ставит пограничные зародыши γ-фазы в преимущественные условия и обеспечивает исключительно их развитие до критических размеров и далее. Поэтому механизм превращения перлита в аустенит при температурах вблизи точкиА1 на рис. П1 сводится к появлению зародышей аустенита с 0,8 %углерода на границе цементита и феррита и последующему их диффузионному росту.Рассматривая механизм формирования структуры в процессе нагрева доэвтектоидной стали, можно теоретически представить себедва случая, при которых происходит рост аустенитного зародыша.
Водном случае он находится в контакте с ферритом и с карбидом, который поглощается растущим зерном аустенита. Во втором – зародыш аустенита полностью окружен ферритом и карбид, растворяясьв феррите, сосуществует с ферритом, пока граница γ/α не подойдет ккарбидной частице. Оба эти пути роста зародыша фиксировали приэлектронно-микроскопических исследованиях.Проанализируем процесс образования аустенита при температуреТ1 (рис.
П2 и П3).38Рис. П2. Стальной угол диаграммы «железо–цементит»Рис. П3. Распределение углерода в окрестности карбидной фазы в стали:А – область γ-твердого раствора (аустенита); Ф – область α-твердого раствора(феррита); К – карбидыЕсли аустенит граничит и с ферритом, и с карбидом, то в соответствии с диаграммой состояния на границе с ферритом равновесная концентрация аустенита должна отображаться точкой b, ана границе с цементитом – точкой а (см. рис.
П3). Внутри аустенитного зерна устанавливается градиент концентрации аb. На границе аустенита с цементитом (см. рис. П3) имеется большой скачок концентрации углерода аК, а на границе с ферритом – меньший скачок bd. Скорость роста аустенитного зерна определяетсяскоростью диффузионного перераспределения углерода в пределах аустенитного зерна в соответствии с линией 2 на рис. П3. Аустенит при этом становится ненасыщенным по отношению к це39ментиту, который растворяется, восстанавливая равновесную концентрацию, соответствующую точке а.
Таким образом, аустенитное зерно разрастается в сторону и феррита, и цементита.Известно, что скорость перемещения межфазной границы приросте одной фазы за счет другой обратно пропорциональна скачкуконцентраций на границе. Так как скачок концентраций на границе аустенита с ферритом примерно на порядок меньше, чем награнице аустенита с цементитом (bd < aK), скорость роста аустенитного зерна в сторону феррита намного больше, чем в сторонуцементита.
В результате к моменту исчезновения ферритных промежутков перлита всегда остается не полностью растворившийсяцементит. Но в доэвтектоидной стали феррит присутствует в перлите в виде тонких пластин и в структурно свободном виде. Размер его существенно больше (на один-два порядка) размера феррита в перлитной колонии. Поэтому на первом этапе образованиеаустенита происходит на основе перлита. При этом после превращения феррита в аустенит остается часть нерастворившегося цементита из перлитных колоний.В соответствии со сказанным в превращении перлита в аустенит можно выделить три этапа: распространение аустенита на всеферритные промежутки; растворение оставшегося цеметита; выравнивание концентрации аустенита по углероду (рис.
П4).Рис. П4. Этапы изотермической аустенизации углеродистой стали:1–5 – скорости охлажденияВыравнивание концентраций на этом этапе затухает по экспоненте. Обычно считают процесс закончившимся, когда перепадконцентраций становится меньше некоторой заданной величиныδс. Оценка по упрощенным расчетным схемам диффузии дает,40например для изотермического распада аустенита стали У8 при800 оС, величину δс = 0,04 % (т. е. аустенит считается однородным при колебаниях содержания углерода на ± 0,02 % от среднего) и расстояние между зернами 2∆ = 1,2 мкм (грубый перлит)при τ1 = 0,038 с, τ2 = 0,023 с, τ3 = 0,024 с, т. е. все три этапа имеют примерно равную продолжительность.При наличии структурно свободного феррита фронт превращенияпродвигается не только в межпластинчатые промежутки перлита, нои в прилегающие зерна свободного феррита.
Однако поскольку диаметр зерна D3 ∆, за время полного превращения перлита фронтаустенита практически не продвигается в ферритное зерно. Можносчитать поэтому, что превращение ферритного зерна начинается после завершения превращения в перлите. Изотермическое превращение феррита в аустенит состоит из двух последовательных стадий:сначала диффузионный фронт превращения доходит до серединыферритного зерна и свободный феррит исчезает, а затем происходитвыравнивание по содержанию углерода в бывших ферритных и перлитных зернах.
Длительность обеих стадий также лимитируется скоростью диффузии углерода в аустените. Оценки времени полногопревращения в доэвтектоидной стали при 800 оС дают величины порядка нескольких секунд, в то время как превращение перлитных колоний в соответствии с ранее проведенными оценками длится 0,085 с.Описанная последовательность превращений обобщена на рис. П4в схематической диаграмме образования аустенита в доэвтектоиднойстали. Диаграмма иллюстрирует превращения в сталях с исходнойструктурой перлитно-ферритной смеси.
Превращение начинаетсяпри некотором перегреве над точкой А1. Линии 1, 2, 3 относятся кпревращениям в перлите: линия 1 соответствует исчезновениюферритных промежутков в перлите; 2 – исчезновению цементита;3 – гомогенизации аустенита в бывшем перлитном зерне; 4 –исчезновению структурно свободного феррита; 5 – гомогенизацииаустенита по всему объему.В легированной стали превращение перлита в аустенит связанос более сложными процессами перераспределения легирующихэлементов и процессами растворения легированной карбидной фазы. Поэтому при нагреве легированных сталей для проработкиструктуры требуется больше времени, и в зависимости от требований к структуре температура нагрева и продолжительность выдержки подбираются индивидуально.В общем случае при нагреве под закалку температуру выбирают таким образом, чтобы в доэвтектоидной стали после закалки41получить структуру мартенсита.
Недогрев или неполная закалканедопустимы. Это связано с тем, что присутствие структурно свободного феррита существенно снижает твердость и прочностьконструкционной стали. Поэтому доэвтектоидные стали нагреваютпри закалке на температуру несколько выше линии АС3, а именнона температуру АС3 + 30…40 оС.Для заэвтектоидной стали температуру закалки выбирают иначе.В качестве структурно свободной фазы выступает цементит. Этофаза с высокой твердостью и износостойкостью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
