Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита.Справочник

А. А. Попов, А. Е. Попова

Машгиз, 1961 г.

ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ И ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКИХ ДИАГРАММ РАСПАДА ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА

Как известно, превращение аустенита в субкритическом интервале температур может развиваться различными путями с образованием различных структурных составляющих. Обычно различают диффузионный, бездиффузионный и промежуточный механизмы превращения, которые развиваются каждый по своему закону и по своей кинетике.

При диффузионном распаде аустенита происходит образование избыточных фаз—феррита или карбида и образование феррито-карбидной смеси различной степени дисперсности. В зависимости от степени дисперсности феррито-карбидную смесь часто называют перлитом, сорбитом или трооститом. Кроме того, при диффузионном распаде аустенита принципиально возможно образование графита и графито-ферритной смеси. Однако в большинстве случаев их образование из аустенита происходит крайне медленно, и поэтому эти процессы обычно не принимаются во внимание при рассмотрении закономерностей РАСПАДА переохлажденного аустенита диффузионным путем.

На кинетику диффузионного превращения аустенита большое влияние оказывают не только состав аустенита, но и температура нагрева, величина зерна и многие другие факторы. Максимум скорости диффузионного РАСПАДА аустенита обычно находится при температурах на 75—80° ниже точки A1 При более высоких или более низких температурах скорость этого превращения резко уменьшается. При температурах на 200— 250г ниже А1 скорость диффузионного превращения ничтожно мала, и оно практически совершенно не проявляется.

Как раз при этих, более низких, температурах обычно становится заметным промежуточное превращение аустенита. Температурный интервал и кинетика развития промежуточного превращения зависят в основном от химического состава аустенита. Этот интервал понижается с повышением содержания углерода и легирующих элементов.

Характерной особенностью промежуточного превращения является то, что при достижении определенного процента РАСПАДА при данной температуре развитие превращения приостанавливается, оставляя большее или меньшее количество непревращенного аустенита. Чем ниже температура превращения, тем полнее может происходить промежуточное превращение и тем меньше останется нераспавшегося аустенита.

Кроме того, под влиянием развития промежуточного превращения наблюдается изменение состава непреврашенной части аустенита в сторону обогащения его углеродом, а возможно, и некоторыми другими элементами. Это изменение состава, по-видимому, является следствием перераспределения элементов между непревращенной частью аустенита и продуктами превращения.

Продукты промежуточного превращения, особенно на первых стадиях своего возникновения, имеют своеобразное игольчатое строение, и потому некоторые исследователи их называют игольчатым трооститом. В американской литературе продукты промежуточного превращения называют бейнитом.

При еще более низких температурах обычно развивается бездиффузионное превращение, связанное с образованием мартенсита и называемое мартенситным превращением. В отличие от диффузионного или промежуточного превращения, мартенситное превращение развивается с очень большой скоростью и в обычных сталях не может быть подавлено никакой практически осуществимой скоростью охлаждения. Поэтому при всех скоростях охлаждения это превращение начинается практически при постоянной температуре, обычно называемой мартенситной точкой и обозначаемой буквой М или Мн.

Как и в случае промежуточного превращения, мартенситное превращение при данной температуре не доходит до конца, оставляя какое-то количество нераспавшегося аустенита. Чем больше степень переохлаждения аустенита ниже мартенситной точки, тем полнее происходит мартенситное превращение и тем меньше остается непревращенного аустенита. Однако всегда имеется температура, охлаждение ниже которой не приводит к заметному увеличению степени РАСПАДА аустенита. Эта температура часто называется марте нситной точкой условного конца превращения и обозначается как Мк или Мук.

Благодаря исключительно большой скорости и самоторможению мартенситного превращения, полнота РАСПАДА аустенита в мартенситном интервале, ограниченном температурами точек Мн и Мук, мало зависит от длительности изотермической выдержки или скорости охлаждения и в основном определяется степенью переохлаждения аустенита ниже точки Мн. Поэтому обычно, вне зависимости от скорости охлаждения, чем ниже температура переохлаждения, тем полнее происходит превращение аустенита в мартенсит.

Температурный интервал протекания мартенситного превращения почти однозначно определяется химическим составом распадающегося аустенита. С увеличением содержания углерода и большинства легирующих элементов этот интервал смещается в область более низких температур. Исключение представляют кобальт и алюминий, которые повышают температурный интервал мартенситного превращения.

Благодаря указанному распределению температурных интервалов, в которых реализуется тот или иной механизм превращения, в настоящее время принято делить весь субкритический интервал температур на три ступени. Первая ступень соответствует температурам развития диффузионного превращения, вторая ступень — температурам развития промежуточного превращения и, наконец, третья ступень соответствует мартенсит-ному превращению. Очень часто поэтому говорят о развитии превращения по типу первой, второй и третьей ступеней, что соответствует диффузионному, промежуточному и мартенситному превращениям.

В зависимости от целого ряда факторов и, в первую очередь, от химического состава распадающегося аустенита, кинетика и температурные условия протекания того или иного типа превращения могут меняться в весьма широких пределах. В результате этого далеко не всегда удается наметить температурные границы, в которых превращение происходит только по одному какому-нибудь типу. В действительности эти процессы протекают как одновременно, так и неодновременно, накладываясь друг на друга по температурам и времени своего развития. Поэтому на практике можно наблюдать весьма сложную зависимость кинетики РАСПАДА переохлажденного аустенита от температуры переохлаждения или интенсивности (скорости) охлаждения и, соответственно этому, разнообразный вид кинетических диаграмм. Некоторые типичные примеры ДИАГРАММ приведены на фиг. 16 и 17.

Рассмотрим наиболее характерные диаграммы.

В углеродистых и некоторых низколегированных сталях, в состав которых входят такие элементы, как никель, кремний, медь, температурные интервалы протекания превращений по первой и второй ступени практически совпадают (фиг. 18,а). В результате этого на изотермических диаграммах при температурах выше мартенситной точки наблюдается обычно только один кинетический максимум (фиг. 16, а). При температурах выше этого максимума распад аустенита происходит диффузионным путем и сопровождается образованием феррито-карбидной смеси различной степени дисперсности. При температурах ниже этого максимума превращение вначале развивается по типу второй ступени, но затем продолжается и заканчивается за счет диффузионного превращения, которое в подобных сталях совершается при этих температурах довольно быстро. Поэтому при изучении закономерностей РАСПАДА переохлажденного аустенита кинетические особенности превращения по типу первой и второй ступени не выявляются и при всех температурах ниже Аг, по выше мартенситной точки удается добиться практически полного РАСПАДА аустенита. Термокипетичеекая диаграмма для этой группы сталей приведена на фиг. 17, а.

При распаде доэвтектоидного или заэвтектоидного аустенита в подобных сталях на изотермических и термокинетических кривых могут появиться дополнительные линии, характеризующие процессы образования избыточного феррита или избыточного цементита.

В сталях, содержащих заметное количество легирующих элементов, таких, как хром, молибден, вольфрам, ванадий и другие, температурные условия протекания превращений по типу первой и второй ступени не совпадают (фиг. 18, б и г). В таких сталях промежуточное превращение оказывается сдвинутым в область более низких температур, и между первой и второй ступенью появляется интервал относительной устойчивости аустенита. Благодаря этому на изотермических диаграммах при температурах выше мартенситной точки обычно отчетливо видны два кинетических максимума, соответствующие первой и второй ступени превращения аустенита.

Скорость превращения легированного аустенита при температурах выше мартенситной точки оказывается, как правило, ниже, чем в аналогичных углеродистых сталях. Повышение устойчивости аустенита под влиянием легирующих элементов особенно заметно при температурах первой ступени и выражается сдвигом соответствующих линий на изотермической диаграмме в координатах температура—время в правую сторону. Особенно резко замедляют диффузионное превращение аустенита такие элементы, как молибден и марганец. Несколько слабее действуют никель и хром.

В зависимости от содержания углерода в легированном аустените относительная скорость его превращения при температурах первой и второй ступени также меняется. Изменяется и положение мартенситного интервала температур.

Повышение содержания углерода в аустените резко уменьшает скорость возникновения феррита и особенно продуктов промежуточного превращения, по увеличивает скорость образования избыточного карбида. скорость образования феррито-карбидной смеси имеет максимальные значения при каких-то промежуточных содержаниях углерода, близких к эвтектоидному (фиг. 19) Поэтому изменение состава аустенита в легированных сталях приводит к очень большому разнообразию кинетических ДИАГРАММ РАСПАДА переохлажденного аустенита. Обычно при малых содержаниях

углерода наибольшая скорость превращения наблюдается при температурах второй ступени (фиг. 16, б и 17, б), в то время как при более высоком содержании углерода в легированном аустените максимальная скорость превращения наблюдается при температурах первой ступени (фиг. 16, г и 17, г). Следует указать, что, как и в случае углеродистой стали, эти диаграммы могут быть осложнены процессами образования избыточных составляющих — феррита или карбидов, которые могут предшествовать процессу возникновения феррито-карбидной смеси, а иногда даже и процессу образования продуктов промежуточного превращения.

При относительно низком содержании углерода (не выше 0,25%) и большом количестве таких легирующих элементов, как никель или марганец, превращение по типу первой ступени происходит настолько медленно, что обычно не обнаруживается ни при изотермических исследованиях, ни при изучении РАСПАДА аустенита в процессе непрерывного охлаждения сталей с различными скоростями (фиг. 16, в и 17, в). Такое явление, например, наблюдается при изучении кинетики РАСПАДА аустенита в сталях 18Х2Н4ВА, 25Х2Н4ВА, 34ХН4М и т. п.

В некоторых высоколегированных сталях вторая ступень превращения настолько сильно понижается и затормаживается, что либо оказывается ниже мартенситной точки и сливается с мартенситным интервалом температур, либо сдвигается настолько сильно вправо, что при проведении обычных исследований не обнаруживается. В таких случаях изотермические и термокинетические диаграммы имеют только один максимум скорости РАСПАДА при температурах выше мартенситной точки, соответствующий диффузионному механизму превращения (фиг. 16, д и 17, д) Это наблюдается, например в высокохромистых сталях, содержащих 0,3—0,4% углерода и 10—12% хрома.

Наконец, возможны случаи, когда под влиянием повышенного содержания углерода и легирующих элементов мартенситный интервал превращения настолько сильно понижается, что оказывается ниже комнатной температуры. Такие стали обычно обладают очень большой устойчивостью аустенита при температурах первой и второй ступени и называются аустенитными сталями. В этих: сталях при обычных исследованиях при всех температурах выше комнатной не наблюдается превращения аустенита, и на изотермических и термокинетических диаграммах нет никаких линий, характеризующих распад аустенита. Только при проведении специальных экспериментов в этих сталях удается обнаружить процесс выделения избыточных карбидов, происходящий при высоких температурах (фиг. 16, е). В результате выделения карбидов мартенситная точка в прилегающих участках аустенита повышается и при некоторых скоростях охлаждения может оказаться выше комнатной температуры (фиг. 17,е).

Вполне понятно, что рассмотренные примеры не исчерпывают всего многообразия изотермических и термокинетических диаграмм, которые мы наблюдаем на практике. Следует помнить, что внешний вид диаграммы может меняться под влиянием большого числа переменных факторов. Помимо химического состава аустенита, можно указать на влияние однородности состава, величины зерна и температуры нагрева, влияние металлургической природы стали и характера раскисления, наличия неметаллических включений и всякого рода посторонних фаз, которые могут играть роль зародышей при развитии превращения. Указанные факторы наиболее существенно влияют на диффузионное превращение, когда образуются избыточные фазы феррит или карбид и феррито-карбидная смесь. В случае промежуточного и мартенситного превращений роль и значение многих из перечисленных факторов уменьшается.