Термоциклическая обработка металлов и деталей машин

Федюкин В.К., Смагоринский М.Е.

Машиностроение, 1989 г.

2.2. ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ ЗЕРНА, ДИСПЕРГИРОВАНИЕ ФАЗ И ГОМОГЕНИЗАЦИЯ В СПЛАВАХ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

Технология ТО предопределяет структуру сплава, обладающую определенным комплексом физико-механических свойств. Поэтому каждый режим ТЦО сталей и чугунов приводит к своей, отличающейся от других структуре. Существует огромное многообразие структур, получаемых в сплавах на основе железа. Однако можно выделить основные структурные изменения в результате ТЦО.

Первым и, по-видимому, основным эффектом любого режима ТЦО сталей и чугунов является измельчение их микроструктуры. Этот процесс измельчения обусловлен несколькими факторами: влиянием ускорения нагревов и охлаждений на структурообразование, отсутствием или малой длительностью выдержек при максимальной температуре нагревов, особенностью кинетики многократных структурных (и фазовых) превращений и т. д. Все эти аспекты процесса образования сверхмелкозернистой структуры еще мало изучены. Однако многое уже известно. Исследования показали, что при быстром нагреве рост аустенитного зерна происходит медленной поэтому нагрев до высоких температур (например, до 1000 °С) не ведет к интенсивному увеличению зерна. Критическая температура Ас1 при ускорении нагрева возрастает и «размывается» так, что появляется необходимость фиксировать и впоследствии учитывать значения температуры начала а- у превращения Ас1 и температуру конца а у превращения Ас1_к в процессе структурного превращения перлита в аустенит. Первоначально в нагреваемом сплаве при температуре Ас1_н появляются первые, очень мелкие зерна аустенита в перлите. Аустенит зарождается на границах между пластинками цементита и феррита. Число зарождающихся зерен аустенита в объеме превращающегося перлита чрезвычайно велико. При дальнейшем нагреве наблюдается некоторое увеличение числа зерен аустенита, возникающих в основном вблизи дефектов в феррите. Установлено, что увеличение размеров зерен идет при переменной температуре нагрева в 3 раза медленнее, чем в изотермических условиях при соответствующей температуре. При условии, когда скорость роста новой фазы (аустенита) мала, а скорость зарождения зерен значительна, получается, что не только в момент, но и к концу а у превращения сохраняется сверхмелкозернистая структура. Дальнейший нагрев или выдержка при постоянной температуре приводит к быстрому укрупнению зерен аустенита.

Если произвести охлаждение (например, на воздухе) быстро нагретой стали на 10—15 °С выше температуры точки Ас1, то вследствие обратной перекристаллизации образуется мелкое зерно перлита. При одном термоцикле феррит в доэвтектоидных сталях почти не претерпевает изменений. Но если произвести несколько таких нагревов и охлаждений, то вся ферритно-перлитная структура претерпевает изменение.

Тот факт, что в результате ТЦО резко измельчаются зерна в сталях и чугунах, требует своего объяснения. Наибольшую сложность вызывает понимание этого процесса в сталях с феррито-перлитной структурой. При попытках объяснить получение термоциклированием равномерной мелкозернистой структуры в доэвтектоидных углеродистых сталях необходимо исходить из механизма образования аустенита при ускоренных нагревах и его распада при последующих охлаждениях.

Следует отметить, что вопрос о механизме образования аустенита при нагреве стали является одним из фундаментальных в теории фазовых превращений и, к сожалению, еще до конца нерешенным. Обсуждению этого вопроса посвящено большое число работ. Высказано несколько гипотез о механизме аустенитизации, но важнейшие аспекты этого структурного превращения все еще остаются неясными.

Большие сложности вызывает объяснение начальной стадии превращения перлита и части доэвтектоидного феррита при температуре, близкой к 750 °С (Ас1)_у хотя температура фазового превращения а-железа в у-железо при отсутствии цементита составляет 910 °С. Известно, что первые зародыши аустенита при нагреве до точки А_с1 образуются на межфазных границах феррита с цементитом. Установлено также, что превращение перлита в аустенит идет по мере «растворения» цементита и насыщения углеродом до 0,8 % зон, прилегающих вначале к цементиту, а потом к новой фазе — аустениту. По мере насыщения новой фазы углеродом— до 0,8% и более — идет дальнейшее превращение феррита в аустенит. Этот диффузионный механизм превращения перлита (цементита + феррита) в аустенит хорошо изучен и не вызывает сомнений, если скорость нагрева меньше 1 °С/мин. При малой скорости нагрева дефекты кристаллического строения исходных структур исчезают еще до начала превращения. В таком случае «бездефектный» доэвтектоидный феррит оказывается устойчивым и его вовлечение в превращение происходит постепенно, по мере повышения температуры до точки Лез [76].

Однако как только скорость нагрева превысит значения 3 °С/мин в конструкционных углеродистых сталях (типа сталь 40) при температурах несколько выше точки Ас1, появляется «избыточный» аустенит, т. е. количество аустенита оказывается больше, чем его образуется при медленном нагреве или после выдержки при этой температуре [75].

1. Немаловажное значение для появления бездиффузионного механизма превращения части феррита в аустенит после точки Ас1 перлитно-аустенитного превращения имеют дефекты, искажения кристаллического строения феррита в его приграничных зонах. Эти дефекты и межфазные напряжения возникают при неполном структурном превращении, т. е. тогда, когда перлит претерпевает превращение, а феррит запаздывает с превращением. В этом случае ослабевают внутрикристаллические силы взаимодействия атомов в поверхностных слоях контактирующих фаз. Однако известно, что при нагреве исчезающая фаза (феррит) теряет устойчивость, энергию взаимодействия атомов, а новая (аустенит) — увеличивает свою внутреннюю энергию.

2. При взаимодействии с аустенитом кристаллическая решетка феррита, будучи неустойчивой и «податливой» при температуре выше точки Асн  оказывается энергетически подготовленной к перестройке (превращению) в аустенит — высокотемпературную фазу. Предрасположенность феррита к превращению способствует течению этого процесса по бездиффузионному механизму.

Указанные причины создают условия для бездиффузионного образования аустенита в приграничном феррите под воздействием более низкой температуры, чем 910 °С. Аустенит, возникающий по бездиффузионному механизму, первоначально неустойчив. Однако в силу большой растворимости углерода в нем происходит насыщение аустенита углеродом и стабилизация кристаллической структуры. Итак, при ускоренном нагреве конструкционной стали до температуры выше точки Ас1 образуется больше, чем обычно, мелкозернистого аустенита. Процесс обратного структурного превращения при охлаждении от указанного нагрева идет неидентично тому, который происходит при охлаждении после выдержки при данной температуре или медленного нагрева. Отличие состоит в том, что зерна аустенита имеют, во-первых, больший объем, чем в равновесном состоянии при Ас1, и, следовательно, меньшую удельную концентрацию углерода; во-вторых, аустенит мелкозернистый; в-третьих, в приграничных с ферритом областях аустенит содержит больше углерода (результат термодиффузии и диффузии при распространении а у-превращения феррита) и поэтому там он более устойчив.

В процессе охлаждения стали с такой неоднородной структурой аустенита распад его происходит следующим образом: вначале распадаются на феррит и перлит те мелкие зерна аустенита, которые имеют меньшую концентрацию углерода, т. е. внутренние. Этому процессу немного способствует и то, что температура внутренних (центральных) в семействе аустенитных зерен несколько ниже, чем крайних. Мелкие зерна аустенита, граничащие с ферритом, подогреваются от перегретого феррита. Таким образом, распад зерен аустенита при охлаждении от нагрева начинается не с границ зерен А — Ф, а внутри них, т. е. начинается выделением феррита в центральной части аустенитных зерен. В результате полного охлаждения на месте названных аустенитных зерен в их прежних границах образуется так называемый псевдоперлит, содержащий углерода меньше 0,8 %. Так, в результате одного быстрого нагрева стали до температуры несколько выше точки Ас1 с последующим охлаждением получим структуру не смеси феррита и перлита (Ф+ П), как обычно, а состоящую из зерен феррита и мелкозернистой смеси перлита и феррита, т. е. Ф+(Ф+П). Так, первый цикл нагрева и охлаждения всего лишь частично измельчает структуру, является шагом к полному измельчению зерен в стали.

При повторном нагреве стали аустенизация перлита происходит известным образом. Однако при этом нагреве возникает метастабильный аустенит только в крупных зернах феррита, точнее на границе с аустенитом. Мелкие зерна аустенита, находящиеся внутри прежнего псевдоперлита (т. е. внутри мелкозернистой перлитно-ферритной смеси), в процессе превращения перлита в аустенит имеют меньшую температуру, чем периферийные, граничащие с ферритом. Большие зерна оставшегося (исходного) феррита продолжают разогреваться, тогда как мелкие зерна феррита в псевдоперлите остаются некоторое время при постоянной температуре а -> у-превращения. При этих условиях (температура феррита больше температуры ферритных зерен псевдоперлита) дальнейшая аустенизация идет направленно — аустенизируется перегретый (крупный) феррит. Причинами такой аустенизации являются указанная разница в температурах при быстром нагреве и термодиффузия углерода в аустените в более нагретую, приграничную с ферритом зону.

В процессе охлаждения стали после второго нагрева кинетика распада аустенита аналогична описанной выше. Последующие циклы постоянно охватывают эвтектоидным превращением весь структурно-свободный феррит. Так, путем последовательных нагревов до температур несколько выше точки Ас1 и охлаждений на воздухе до комнатных температур создается мелкозернистая структура в стали  и соответствующее улучшение ее механических свойств. Однако нет смысла производить все охлаждения до комнатных температур. Структура пластинчатого перлита при охлаждении полностью формируется при температуре порядка 600 °С. Дальнейшее охлаждение на воздухе не изменяет структуры стали. Поэтому охлаждения при термоциклировании для получения мелкозернистой структуры можно и с экономической точки зрения нужно производить до температур на 50—80 °С ниже точки Аги а потом вновь нагревать. Охлаждение после последнего нагрева следует осуществлять на воздухе до комнатной температуры.