ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА

При закалке, нормализации и отжиге происходит распад переохлажденного аустенита, при этом возможны три ти­па превращений[9]: перлитное, промежуточное, мартенсит – ное. Легирующие элементы существенно влияют на кине­тику и механизм этих превращений.

1. Влияние легирующих элементов на устойчивость переохлажденного аустенита

Как известно, устойчивость переохлажденного аустенита к распаду характеризуется диаграммами изотермического превращения аустенита. Изменение содержания углерода иЧцегирование аустенита влияют на кинетику перлитного и промежуточного превращений и температуру мартенсит – ного превращения[10].

На рис. 45 приведены такие диаграммы для углеродис­тых сталей с разным содержанием углерода. Устойчивость аустенита характеризуется С-образными кривыми начала и конца превращений. В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях перлитному превращению предшествуют линии вы­деления избыточных фаз (феррита и цементита соответст­венно).

Некарбидообразующие элементы (Ni, Al, Si, Cu), прин­ципиально не меняя вид С-кривой, смещают ее по темпе­ратуре превращения и повышают устойчивость аустенита, т. е. увеличивают инкубационный период распада, сдвигая линии по диаграмме вправо. Исключение составляет ко­бальт, который уменьшает время до начала распада.

800 700 600

I 500

1 т

I 500

I 200

WO

О

Карбидообразующие элементы (Cr, Mo, W, V) сущест­венно изменяют вид диаграммы и кинетику превращения, обусловливая четкое разделение перлитного и бейнитного превращения с появлением области повышенной устойчи­вости аустенита между ними. На рис. 46 приведены дан­ные по влиянию никеля и хрома как некарбидообразующе – го и карбидообразующего элементов на характер диаграм­мы изотермического распада аустенита.

Разделение перлитного и промежуточного превраще – – ний на диаграмме распада вообще свойственно легирован­ным сталям при наличии в их составе нескольких легирую­щих элементов независимо от их карбидообразующей спо­собности, хотя при наличии карбидообразователей эта особенность ярче проявляется.

Легирующие элементы по-разному влияют на перлит­ное, промежуточное и мартенситное превращения.

0,51 10 IO2 Ws 10* HSI 10 10г IO3 10* О, S/ 10 W1 103 10* Время, с

Рис. 45. Диаграммы изотермического распада аустенита в углеродистых сталях (А. А. Попов, Л. Е. Попова):

А — доэвтектоидная сталь (0,45% С); б — эвтектоидная сталь (0,8% С); е — за – эвтектоидная сталь (1,2 % С)

В перлитной области все легирующие элементы, за ис­ключением кобальта, если они переведены в аустенит при нагреве, увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита. Особенно эффективно увеличивают инкубаци­онный период молибден и марганец, несколько слабее

Хром и никель. Уменьшает его кобальт. В доэвтектоидных сталях легирующие элементы могут по-разному влиять на выделение избыточного феррита и образование феррито – карбидной смеси. Так, кремний и алюминий ускоряют про­цесс образования избыточного феррита, но замедляют рас­пад на феррито-карбидную смесь, а марганец и никель за­медляют оба процесса. Уве­личение содержания углеро­да существенно уменьшает скорость образования избы­точного феррита в доэвтек­тоидных сталях и повышает скорость образования избы­точного карбида в заэвтек – тоидных сталях, а скорость образования феррито-кар – бидной смеси максимальна при его концентрации, близ­кой к эвтектоидной.

В промежуточной обла­сти наиболее эффективно увеличивают устойчивость аустенита углерод и азот. Легирующие элементы Mn, Cr, Ni, Mo, W и другие рас­ширяют инкубационный пе­риод начала промежуточно­го превращения, но суще – . ственно в меньшей степени, ное превращение. Как известно, промежуточное превра­щение в отличие от перлитного не завершается полным распадом аустенита, часть аустенита остается нераспав – шейся. Легирование увеличивает количество остаточного аустенита при бейнитном распаде.

После легирования промежуточное превращение сме­щается в область более низких температур, в результате чего в высоколегированных сталях оно может совпадать с мартенситным превращением.

G о, от

, 111

0,OZr

Ш

Iii-I

^ Ni

I i J

: JgT

¦ I

4.6 Ni

I ^^-i._

————- —йгсг

– «Щ

1 I

Время, с

Рис. 46. Влияние никеля н хрома на характер диаграмм изотермического распада аустенита стали с 0,5 % С (В. И. Зюзин)

800 600 400 200 800

^ 600

°" WO

I 200

I I 800

S 600

I"

JS 200 800 600

Чем они влияют на перлит-

Влияние легирующих элементов на устойчивость аусте­нита не аддитивно, т. е. при наличии в аустените несколь­ких элементов их действие не суммируется, а может очень существенно изменяться. Так, наиболее сильный эффект повышения устойчивости аустенита наблюдается при та­ких композициях легирования, как Cr—Ni, Cr—Ni—Mo, Cr—Mn, Cr—Mn—V и др., причем соотношение легирую­щих элементов должно быть Mn : Cr» 1,5 : 2.

Необходимо также отметить, что легирование может влиять на устойчивость переохлажденного аустенита косвенно, в результате из­менения размера зерна, размера и количества нерастворенной карбид­ной фазы, состава и дисперсности неметаллических включений и других факторов. Все они могут заметно влиять на распад аустенита в пер­литной области, но практически не Влияют на промежуточное превра­щение и температурный интервал мартеиситного превращения. Так, перлитное превращение ускоряется за счет нерастворившихся в аусте­ните карбидов, некоторых дисперсных неметаллических включений, уменьшения размера зерна.

Легирующие элементы оказывают также сильное влия­ние на температуру начала мартеиситного превращения

Мш (рис. 47). Наиболее сильно по – нижает Mh марганец, несколько сла­бее действуют хром, ванадий, ни­кель, молибден. Медь и кремний в количествах, применяемых в стали, мало влияют на положение мартен – ситной точки. Кобальт и алюминий повышают мартенситную точку. Уг­лерод и азот сильно снижают тем­пературу мартеиситного превраще­ния. Поскольку от положения тем­пературного интервала мартеисит­ного превращения аустенита по от­ношению к комнатной температуре зависит количество остаточного ау­стенита в стали, то элементы, пони­жающие температуру мартеиситного превращения (С, Mn, Cr, Ni, Mo и др.), будут увеличивать количество остаточного аустенита после закал-• кй, а Si и Со, наоборот, уменьшать его[11].

Влияние легирующих элементов до пределов их содер­жания в большинстве низколегированных и легированных сталей на температуру начала мартеиситного превращения Ma может быть просуммировано. Хорошее совпадение с экспериментом дает формула А. А. Попова:

250 200 150 100 50

О

СО

Si

Cu

N^Mo5^

Ni

4>

Iiii

.Mn N I

12 3 1 5 6

Легирующий элемент, °/о(ломассе)

Рнс. 47. Влияние содержа­ния легирующих элементов на температуру начала мар­теиситного превращения МИ стали с 0,9 % С (В. И. Зю – зин, В. Д. Садовский, С. И. Баранчук)

Mh = 520 — 320 (% С) — 45 (% Mn) — 30 (% Cr) —

— 20(%Ni + %Мо) — 5(°/oSi + %Cu).

Примерно Ni: Cr ж 2 :. 3,

2. Диаграммы распада переохлажденного аустенита

Наиболее полной характеристикой превращений аустени­та при охлаждении для каждой стали являются изотерми­ческие и термокинетические диаграммы распада переохла­жденного аустенита.

Изотермические диаграммы характеризуют кинетику распада аустенита при постоянной температуре переохла­ждения. Такие диаграм­мы наглядны для сравни­тельной оценки разных сталей, а также для выяв­ления роли легирования и других факторов (тем­пературы нагрева, разме­ра зерна, пластической деформации и т. п.) на кинетику распада пере­охлажденного аустенита.

Термокинетические ди­аграммы характеризуют кинетику распада аусте­нита при непрерывном охлаждении. Эти диа­граммы менее наглядны, но имеют большое прак­тическое значение, так как при термической об­работке распад аустени­та происходит при непре­рывном изменении температуры, а не в изотермических ус­ловиях. Если известны скорости охлаждения в разных се­чениях реальных изделий, то, нанося соответствующие кри­вые скоростей охлаждения на термокинетическую диаграм­му, можно определить температуру превращения аустенита и оценить получаемую при этом структуру.

Огромная работа по сбору, обработке и систематиза­ции диаграмм распада переохлажденного аустенита для 600 марок сталей проведена А. А. Поповым и Л. Е. Попо­вой.

Время, с

Рнс. 48. Диаграмма изотермического (тон­кие линнн) н термокинетического (тол­стые лннин) распада переохлажденного аустеинта (А. А. Попов, Л. Е. Попова)

На рис. 48 сопоставлены изотермическая и термокине­тическая диаграммы распада переохлажденного аустенита легированной стали. Термокинетическая диаграмма мо­жет быть построена как экспериментально, так и расчет­ными методами на основании изотермических диаграмм.

Сравнение расположения линий распада аустенита на обе­их диаграммах показывает, что соответствующие линии на термокинетической диаграмме находятся правее и ниже тех же линий изотермической диаграммы. Следовательно, то же превращение при непрерывном охлаждении протека­ет при более низкой температуре и через большее время, чем при изотермическом распаде аустенита.

Кинетика превращений аустенита, т. е. вид диаграммы распада, за­висит от множества факторов и прежде всего от химического состава аустенита.

В зависимости от легирования сталей можно выделить шесть ос­новных разновидностей диаграмм изотермического распада переохлаж­денного аустенита и соответствующие им термокинетические диаграм­мы (рис. 49).

Для углеродистых, а также Некоторых низколеги­рованных сталей, содержащих в основном некарбидообразую – щие элементы — никель, кремний, медь (рис. 49,а), изотермический рас­пад аустенита характеризуется С-образными кривыми с одним макси­мумом. Перлитное и промежуточное превращения не разделены. При непрерывном охлаждении такой стали в зависимости от скорости охлаждения могут быть получены три типа структур: мартенсита (ско­рость охлаждения выше критической), мартенсита и феррито-карбидной смеси (ФКС) и только ФКС.

Для легированных сталей, содержащих карбидообразу – ющие элементы — хром, молибден, вольфрам, ванадий и др. (рис. 49, б, г), диаграммы распада имеют две четко разделенные между собой области перлитного и промежуточного превращений, для каждой из которых характерны свои С-образные кривые. При содержании углерода до 0,4—0,5 % в конструкционных сталях (например, 20Х2Н4А, 45ХН2МФА, ЗОХГСА, 38ХМЮА и др.) превращение по I ступени сдви­нуто вправо по отношению к превращению по II ступени (рис. 49, б), а при большем содержании углерода (инструментальные стали типа 7X3, ШХ15, 9Х и т. п.), наоборот, I ступень лежит левее II ступени (рис. 49, г).

Для хромоникельмолибденовых и хромоникель – вольфрамовых сталей, (например, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА, 25Х2Н4МА и др.) с содержанием углерода в пределах 0,15—0,25 % С (рис. 49, в) характерна весьма высокая устойчивость переохлажденно­го аустенита в перлитной области и малая устойчивость его в бейннт – ной области, вследствие чего I ступень на диаграмме распада аустени­та отсутствует.

В высоколегированных хромистых сталях типа 30X13, 40X13, 20X17 и др. (рис. 49, д) промежуточное превращение мо­жет быть сильно заторможено и сдвинуто в область температур мар­теиситного превращения, вследствие чего на диаграммах распада аусте­нита имеется лишь перлитное превращение, а промежуточное отсут­ствует.

В сталях аустенитного класса, а именно высоколеги­рованных сталях типа 37Х12Н8Г8МФБ (ЭИ487), 45Х14Н14В2М (ЭИ69) (рис. 49, е), благодаря высокому содержанию хрома, никеля, марганца и углерода температура начала мартеиситного превращения лежит ниже комнатной, а распада аустенита по I и II ступеням прак­тически не наблюдается. Из-за повышенного содержания углерода в

500 300

__

Л—

Iy

М7\

А

-A1

—–

—- I-^d

 

I

 

М„

Г

***

 

Mk

Z

К { (

¦ч

75%

 

 

__

__

<3

S

Ai

Mh

?5%

\1

50%

Ч

75е,

‘о

ITU1

?

Ч

S

Е

Л

1 —V

Z\

Г

Ж

U

М„

1

I

V

Mk

А

Рис. 49. Основные разновидности диаграмм (/ — изотермические, // —термоки нетические) распада переохлажденного аустенита (А. А. Попов, Л. Е. Попова) а — углеродистые и низколегированные стали, не содержащие карбидообразую щих элементов; б — легированные стали (до 0,4—0,5% С), содержащие карбидо образующие элементы; в — легированные хромом, никелем, молибденом (воль фрамом) стали с иизкнм содержанием углерода (до 0,2—0,25%); г — легирован ные стали, содержащие карбидообразующие элементы (свыше 0,4—0,5 % С) д — высоколегированные стали с высоким содержанием хрома; е — высоколеги роваииые аустенитные стали. 1 — начало превращения; 2 — конец превращения ¦3 — начало образования ФКС; 4 — начало образования продуктов промежуточно го превращения; 5 — начало выделения карбидов

700 500 300

0,51 10 }Ог W3 M4 W50,51 W 10г10310? 0,5- Время, с

0,51 10 IO1 IO3 W 0,51 10 10Г W3IO4W50,51 10 IO1W3WtW5

Время, с

Аустените этих сталей при переохлаждении возможно образование из­быточных специальных карбидов.

Необходимо отметить, что указанное разделение диаграмм в из­вестной мере является условным, так как очи не охватывают всего мно­гообразия изотермических и термокинетических диаграмм распада пере­охлажденного аустенита.