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% |
|
__ |
__ |
|||