3. Перлитное превращение

В легированных сталях перлитное превращение состоит из собственно полиморфного г. ц. k.-vo. ц. к. перехода, диффу­зионного перераспределения углерода и легирующих эле­ментов, в результате чего образуются специальные карби­ды и феррито-цементитная смесь (перлит).

От того, какие легирующие элементы и в каком коли­честве находятся в исходном ^-твердом растворе, зависит скорость отдельных звеньев перлитного превращения, а следовательно, и кинетика его в целом.

Полиморфный у^сс-переход в железе при малом пере­охлаждении аустенита (в районе температур I ступени) происходит путем неупорядоченного смещения атомов в от­личие от мартеиситного (при большем переохлаждении), носящего сдвиговый упорядоченный характер. Легирова­ние существенно влияет на скорость этого превращения: оно сильно замедляется в случае одновременного легиро­вания железа хромом и никелем и в еще большей степени при дополнительном введении молибдена.

По данным Р. И. Энтина, замедление у-хя-перехода под влиянием легирования обусловлено повышением энер­гии активации процесса самодиффузии железа и, следова­тельно, усилением межатомного взаимодействия в легиро­ванном у-твердом растворе.

Карбидообразование при перлитном превращении в стали является следствием перераспределения углерода и легирующих элементов между образующимися фазами: ферритом и карбидами. При наличии в составе стали кар- бидообразующих элементов могут возникать специальные карбиды, кроме цементита.

Специальные карбиды при наличии в составе раство­ренных сильных карбидообразующих элементов (ниобия, ванадия, хрома и др.) образуются в переохлажденном аустените до начала ¦у-мх-превращения; в избыточном феррите (в эвтектоидной и заэвтектоидной стали эта ста­дия отсутствует); в феррите эвтектоида (перлита). На каждой стадии получаются специальные карбиды, тип ко­торых зависит от состава аустенита.

Если в состав стали входят карбидообразующие эле­менты IV и V групп V, Nb, Ti, Zr и при аустенитизации они переходят в твердый раствор, то на всех стадиях об­разуется карбид одного типа — MeC (VC, NbC, TiC, ZrC).

Схема распада аустенита и процесса карбидообразова – ния при перлитном превращении в сталях с ванадием, нио­бием, титаном и цирконием имеет вид

Г — MeCl4 + г’

Апи + h

1__________________________ Ц J________ | ^

MeCp + ар. и РезС + а„.3 MeC3 + арз

Где у—переохлажденный исходный аустенит; MeCji — карбид, выделившийся в аустените; у’ — аустенит после выделения карбида; Ohjh— пересыщенный карбидообразу – ющим элементом и углеродом избыточный феррит; аР. и — равновесный избыточный феррит; MeC ф — карбид, выде­лившийся в избыточном феррите; — аустенит эвтектоид – ного состава; FesC — цементит эвтектоида (перлита); etna — пересыщенный феррит эвтектоида (перлита); аР. э—равновесный феррит эвтектоида; MeC3—карбид, выделившийся в феррите эвтектоида.

Образование карбида в переохлажденном аустените до начала ¦у-*-а-превращения (Me С а) объясняется уменьшени­ем растворимости в аустените карбидообразующего эле­мента и углерода при понижении температуры.

Из схемы видно, что после полиморфного ¦y-va-nepexo – да образующийся феррит (как избыточный, так и эвтекто­ида) сначала пересыщен карбидообразу ющим элементом и углеродом, затем из него образуется карбид, после чего феррит по состоянию становится близким к равновесному; этот процесс длится несколько секунд.

Карбиды, выделившиеся на разных стадиях (MeС а.- MeC ф и MeC3), имеют разную форму и характер располо­жения (рис. 50). Карбиды, выделившиеся в переохлажден­ном аустените (рис. 50, а), располагаются по границам зе­рен аустенита (III на рисунке 50, а) и по дефектам кристал­лического строения, например, дислокациям, дефектам упаковки и т. п. в объеме аустенитного зерна. Карбиды, выделившиеся в избыточном феррите (рис. 50, б), могут быть непрерывными и прерывистыми (I, п). Непрерыв­ные выделения возникают внутри зерна феррита, а вбли­зи границы зерен может быть зона, свободная от выде­лений. Прерывистые или нитевидные выделения образу­ются от мигрировавшей внутрь аустенита границы феррит – ного зерна. Они возникают при превращениях, имеется

Рис. 50. Выделения карбида вана­дия прн диффузионном Y-*а-прев­ращении, Х20 000 (М. И. Гольд – штейн, Э. Л. Колосова, Г. Д. Cyc1 лопаров):

А — в переохлажденном аустените; б — в избыточном феррите; в — в феррите эвтектоида

Граница раздела между двумя фазами с большими угла­ми разориентировки, когда скорость миграции границы со­измерима со скоростью диффузии элементов, входящих в состав нитевидного карбида. Из перечисленных элемен­тов IV и V групп прерывистые выделения обнаружены при формировании карбида ванадия. Карбиды, образовав­шиеся из феррита эвтектоида (рис. 50, в), располагаются между пластинами цементита.

Форма непрерывных выделений одного и того же кар­бида, возникших на первых этапах распада в аустените и феррите, разная и определяется ориентационным соотно­шением кристаллических решеток матрицы и карбида.

Карбиды типа AfeC образуются непосредственно из пе­ресыщенного твердого раствора независимо от цементита при содержании в стали <0,1 %, V, Nb, Ti; в цементите эти элементы практически не растворяются.

В сталях, содержащих карбидообразующие элементы VI группы (Cr, Mo, W), процесс карбидообразования ус­ложняется. Элементы этой группы в зависимости от содер­жания легирующего элемента в аустените могут образо­вывать несколько типов карбидов (см. гл. V. п. 3). В ста­лях с хромом — легированный цементит (Fe, Сг)3С и специальные карбиды (Fe, Сг)7Сз и (Fe, Сг)2зС6; в сталях с молибденом (вольфрамом) — карбиды (Fe, Мо)гзС6, MoC, Mo2C, (Fe, MoJ6C "(аналогичные карбиды образует воль­фрам).

В хромистых сталях наряду с механизмом зарождения карбидов непосредственно в твердом растворе возможно образование карбидов по механизму «на месте» (in situ)> при этом новый карбид зарождается из ранее образовав­шегося карбида того же элемента, но имеет строение дру­гого типа. Такой механизм возможен,’ если две карбидные фазы допускают отклонение от стехиометрического соста­ва в достаточно широких и перекрывающихся пределах. Тогда принципиально возможен переход одного карбида в другой путем трансформации решетки в пределах всей карбидной частицы или ее доли. Так, в хромистых сталях из легированного хромом цементита возможно образова­ние гексагонального карбида хрома: (Fe, CrJ3C-*-(Fe,. CrJ7C3. В высокохромистых сталях (более 12 % Cr) воз­можна реакция «на месте»: (Fe, Cr) 7С3->-(Fe, CrJ23C6.

Некарбидообразующие элементы (Ni, Со, Si) непо­средственного участия в процессах образования специаль­ных карбидов не принимают. Как правило, они входят в состав цементита в количестве, равном их среднему содер­жанию в стали. Косвенное влияние их может состоять в воздействии на термодинамическую активность других элементов, т. е. на процесс их перераспределения при кар – бидообразовании. Перераспределение элементов при об­разовании специальных карбидов контролируется диффу­зионной подвижностью элементов. Все карбидообразую­щие элементы имеют коэффициент диффузии в аустените на 4—5 порядков ниже, чем у углерода. Влияние легиро­вания на диффузию углерода относительно невелико. По­этому можно полагать, что процесс карбидообразования лимитируется подвижностью карбидообразующих элемен­тов. С понижением температуры превращения их подвиж­ность становится малой и процесс образования специаль­ных карбидов ниже 600—500 0C не идет. При более низких температурах развивается промежуточное превращение.

Зарождение зерен феррита и перлитных колоний при диффузион­ном мх-превращении • происходит в пределах одного аустенитного зерна. Как правило, средний диаметр ферритных зерен (Da) меньше аустенитного (dy). Отношение SYIda=K характеризует это различие, A K3 показывает число зерен феррита, образующихся из одного аусте­нитного зерна.

Df, MKM

К. . .

K3 .

Ниже по данным М. А. Штремеля, В. М. Лизунова, В._В. Шкато – ва приведено соотношение между исходным аустенитным Dy и обра­зующимся при Y-HJ-превращении ферритным da зерном стали 08пс

9—11 <33 80—100 1—2 2—2,5 4,1—5,6 1—4 8—16 ‘ 70—175

Столь существенное изменение значений К и K3 в зависимости от исходного размера аустенитного зерна свидетельствует о разных ме­ханизмах зарождения ферритных зерен. В сталях, легированных силь­ными карбидообразующими элементами — ванадием, ниобием, титаном, размер зерен аустенита стабилизируется в узких пределах (до 30— 35 км). В случае последующего его охлаждения наблюдается один ме­ханизм выделения феррита, прн этом К я K3 изменяются в очень узких пределах (/C= 1,6 н – 2,0 и K3=4,0-^-8,0).

Таким образом, перлитное превращение в легирован­ных сталях контролируется скоростью полиморфного 7-»- -»-а-превращенйя и скоростью диффузионного перераспре­деления легирующих компонентов между исходным твер­дым раствором и образующимися фазами, т. е. процессом •формирования специальных карбидов.

Образование специальных карбидов при диффузионном у-нх-превращении существенно влияет на свойства сталей со структурой феррито-карбидной смеси, которая свойст­венна большому кругу конструкционных сталей в горяче­катаном состоянии, а также после закалки в центре круп­ных поковок и отливок.

Фика промежуточного превращения в том, что оно разви­вается при температурах, когда скорость диффузии металлических атомов железа и легирующих элементов крайне низкая, а скорость диффузии углерода еще значи­тельна.

Промежуточное превращение в легированных сталях состоит из диффузионного перераспределения углерода в аустените, бездиффузионного y-va-перехода и карбидооб – разования.

До сих пор нет единого мнения относительно того, ка­кой из процессов промежуточного превращения является ведущим.

Кинетика промежуточного превращения характеризует­ся рядом особенностей. К ним относится наличие инкуба­ционного периода, неполное превращение аустенита в изо­термических условиях и сохранение некоторого количест­ва остаточного аустенита.

При разделении перлитного и промежуточного превра­щений в легированных сталях можно установить верхнюю температурную границу промежуточного превращения — температуру Bn(bs)-

Легирование влияет на кинетику промежуточного пре­вращения, хотя и в меньшей степени, чем на перлитное превращение. Так, в некоторых легированных сталях тор­можение изотермического превращения происходит во всем интервале промежуточного превращения, а в других — лишь при температурах верхней части этой области. В сталях, легированных 2 % Si или Cr, превращение аусте­нита останавливается по достижении определенного пре: дела даже при самых низких температурах промежуточ­ного превращения. При легировании сталей никелем или марганцем торможение превращения характерно лишь при высоких температурах промежуточного превращения, при более низких температурах аустенит превращается полно­стью.

97

На рис. 51 показано влияние легирующих элементов на продолжительность инкубационного периода, темпера­туру минимальной устойчивости аустенита и максимальную скорость превращения в промежуточной области для высо­коуглеродистых сталей с 1,0 % С. Как видно, марганец и хром существенно влияют на кинетику промежуточного превращения, увеличивая продолжительность инкубаци­онного периода и понижая температуру минимальной ус­тойчивости аустенита и максимальную скорость превра­щения.

7—970

В углеродистых и некоторых низколегированных ста­лях в области повышенных температур на промежуточное превращение может накладываться перлитное превраще­ние. При температурах ниже М„ в некоторых сталях пос­ле окончания мартеиситного превращения может происхо-

O 2 3 4 О 2 3 4 0 12 3 4*557

Легирующий элемент, % (по массе)

Рнс. 51. Влияние хрома, молибдена, вольфрама н марганца при температуре максимальной устойчивости аустенита на продолжительность инкубационного периода т, температуру минимальной устойчивости /м у и максимальную ско­рость превращения Wjnal в промежуточной области (К. Буигардт, Мюлдер). Сталь с 1,0% С, 1,0% Cr (/ — влияние Mn; 2 — Мо: 3 — W) сталь с 1,0 %С„ 0-,3 % Mn; 4 — влияние Cr

Дить промежуточное превраще­ние остаточного аустенита (рис. 52). Промежуточное пре­вращение в легирован­ных сталях начинается с перераспределения уг­лерода в аустените, иду­щего диффузионным пу­тем. При этом в участках аус­тенита, обедненных углеродом, происходит мартенситное бездиф­фузионное 7-»-а-превращение. По­добный процесс обусловлен по­вышением мартенситной точки при понижении содержания углерода. Чем выше температура промежуточного превра­щения, тем выше должна быть мартенситная точка в уча­стках аустенита, претерпевающих ^-^а-превращение, т. е. тем ниже содержание углерода в этих участках.

Рнс. 52. Схема наложения про­межуточного и перлитного (а) и мартеиситного и промежуточ­ного (б) превращения

Чём выше температура промежуточного превращения, тем выше содержание углерода в остаточном аустените. Содержание углерода в а-фазе, наоборот, растет с пони­жением температуры промежуточного превращения. Раз­личное влияние температуры промежуточного превращения на содержание углерода в у – и а-фазах обусловливает и разный характер карбндообразовання при промежуточном превращении. При высоких температурах промежуточного превращения происходит выделение карбидов из у-фазы, а при низких — из пересыщенной а-фазы, причем при вы­соких температурах из аустенита выделяется карбид це­ментного типа.

Возможность выделения карбидной фазы из обогащен­ного углеродом аустенита при промежуточном превраще­нии возрастает по мере повышения содержания углерода в стали, а также при легировании в последовательности: кремний, марганец, хром, никель.

Кремний и алюминий способствуют максимальному на­сыщению остаточного аустенита углеродом. Так, в сталях с 0,3—0,6 % С содержание углерода в остаточном аусте­ните при промежуточном превращении может возрасти в 2—3 раза.

В высокоуглеродистых легированных сталях выделе­ние карбидов из аустенита может происходить уже на на­чальных стадиях промежуточного превращения, поэтому период решетки остаточного аустенита интенсивно умень­шается.

Микроструктура продуктов промежуточного превраще­ния — бейнит. Различают верхний бейнит, имеющий пери­стое строение, и нижний бейнит, характеризующийся нали­чием игольчатого строения. Структура нижнего бейнита подобна структуре низкоотпущенного мартенсита. В низ­коуглеродистых легированных сталях при высоких темпе­ратурах промежуточного превращения возможно образо­вание так называемых зернистых структур.

Для промежуточного бейнитного превращения харак­терно образование микрорельефа на полированной по­верхности образца подобно рельефу при образовании мар­тенсита.

Изучение микроструктур промежуточного превращения осложнено высокой дисперсностью продуктов превраще­ния, а также протеканием вторичных процессов — таких, как распад пересыщенного а-твердого раствора, карбидные превращения и др.

7*

99

Структура бейнита хорошо разрешается только при больших увеличениях при использовании электронного микроскопа. Типичные структуры верхнего и нижнего бей­нита приведены на рис. 53. Если в верхнем бейните карби­ды цементитного типа могут выделяться между ферритны – ми пластинами, то в нижнем бейните, где диффузия угле­рода идет медленнее, углерод выделяется in situ в виде карбидов внутри ферритных игл. Карбиды выстраиваются в более или менее правильный ряд в направлении, находя­щемся под углом приблизительно 600 к оси ферритных игл, внутри которых они находятся.

Рис. 53. Структура бейнита стали 38ХМЮА (А. Ю. Калетин): а —верхний, X18 ООО; б — ннжннй X15 ООО

Механические свойства продуктов промежуточного пре­вращения существенно зависят от их структуры (см. гл. XIV, п. 2). Как правило, верхний бейнит имеет неблаго­приятное сочетание механических свойств, низкое сопротив­ление хрупкому разрушению. Нижний бейнит имеет хоро­ший комплекс механических свойств, в ряде случаев пре­вышающий свойства тех же сталей, обработанных путем закалки и отпуска на ту же прочность.

Разработаны бейнитные стали, в которых промежуточ­ное превращение имеет малый инкубационный период, а условия охлаждения обеспечивают подавление выделения доэвтектоидного феррита.