М.А.Смирнов, В.М. Счастливцев, Л.Г. Журавлев
Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14% С, и, возможно, некоторые другие, специально вводимые так называемые легирующие элементы. Поэтому основой для изучения термической обработки сталей является диаграмма состояний железо-углерод (рис. 1.4). Напомним критические точки железа и сталей. Железо при атмосферном давлении существует в двух модификациях: а с решеткой ОЦК до температуры 911 °С и у с решеткой ГЦК в интервале 911…1392 °С. При более высоких температурах железо вновь имеет решетку ОЦК (б-железо). Температуры равновесия Fe a — Fe Y (911 °С) и Fe Y <-> Fe б (1392 °С) обозначаются как точки А 3, и А 4 соответственно.
Положение точек А3 и А4 в сталях зависит от содержания углерода, который образует в феррите и аустените твердые растворы внедрения. На диаграмме состояний Fe—С точкам А3 соответствует линия GS, а точкам А4 — линия N1. При А4 заканчивается превращение феррита в аустенит при нагреве или начинается выделение феррита из аустенита при охлаждении. Аналогичный смысл имеет точка А4 по отношению к превращениям аустенита в б-феррит при нагреве и наоборот — при охлаждении. Температура трехфазного равновесия аустенит-феррит-карбид (727 °С) рассматривается как точка А1, которая не зависит от содержания углерода, и ей соответствует линия PSК на диаграмме состояний Fe—С. В случае медленного охлаждения стали при этой температуре протекает эвтектоидная реакция: аустенит состава точки S превращается в феррит состава точки Р и цементит — карбид железа Fe3C. имеющий орторомбическую решетку. Образующийся эвтектоид часто называют ферритно-карбидной структурой (ФКС). При медленном нагреве реакция идет в обратном направлении.
Температурный интервал между А1и А3 называется межкритическим. С увеличением содержания углерода А3, постепенно снижается; при 0,8% С (в точке S диаграммы состояния Fe—С) она совпадает с А1. У заэвтектоидных сталей, лежащих правее точки S, имеется еще одна точка Аст, которая соответствует началу выделения цементита из аустенита при медленном охлаждении или окончанию растворения цементита в аустените при медленном нагреве. На диаграмме состояний Fe—С совокупности этих точек соответствует линия SE.
Точкой А2 (770 °С) обозначают температуру перехода феррита из ферромагнитного состояния в парамагнитное при нагреве и в обратном направлении при охлаждении.
Вышеперечисленные критические точки, кроме А2, имеют разные значения при нагреве и охлаждении. Обозначения критических точек, определенных при нагреве, имеют дополнительный индекс с (Ас1, Ас3 и т. д.), а при охлаждении — r (Аr1, Аr3 и т. д.). Напомним, что фазовые превращения, протекающие в сплавах в твердом состоянии, по концентрационному признаку подразделяются на диффузионные ибездиффузионные. При диффузионном превращении образование новой фазы сопровождается определенным перераспределением компонентов, что требует диффузионного перемещения атомов на дальние расстояния.
При бездиффузионном превращении концентрационных изменений в сплавах не происходит, возникающие участки новой фазы не отличаются по составу от исходной фазы. В соответствии с этими представлениями фазовое превращение в однокомпонентной системе, например в чистом железе, всегда может рассматриваться как бездиффузионное. Таким же путем может происходить превращение высокотемпературной фазы у в низкотемпературную а и наоборот в сплавах системы. Для любого сплава этой системы можно указать определенную температуру Т0, при которой свободные энергии высокотемпературной и низкотемпературной фаз равны между собой. Бездиффузионное превращение высокотемпературной фазы в низкотемпературную становится возможным лишь при переохлаждении ниже Т0. При нагреве выше Т0 появляется возможность бездиффузионного превращения низкотемпературной фазы в высокотемпературную. Однако эта возможность далеко не всегда может быть реализована вследствие трудности подавления диффузионных процессов при высоких температурах.
В некоторых сплавах возможно протекание бездиффузионных превращений, связанных с образованием метастабильных фаз, не фигурирующих на диаграмме состояний.
В зависимости от характера перестройки кристаллической решетки различают нормальное и сдвиговое мартенситное превращения(Г.В.Курдюмов).
При нормальном (флуктуационном) механизме превращения смещение атомов на границе раздела фаз не является упорядоченным. В результате термической активации отдельные атомы или их небольшие группы «отрываются» от решетки исходной фазы и присоединяются к решетке новой фазы. Процесс требует значительной энергии активации и его скорость сильно зависит от температуры. Такой тип перестройки решетки может быть как при диффузионном, так и бездиффузионном превращении.
При сдвиговом мартенситном механизме превращения осуществляется упорядоченное кооперативное перемещение атомов на расстояния, не превышающие межатомные. При этом обмена атомов местами не происходит: атомы, бывшие соседями в исходной решетке, остаются соседями и на границе растущего кристалла, а затем и в новой решетке. На межфазной границе возникает упругое сопряжение решеток (когерентность), что обуславливает возможность перемещения границы с большой скоростью. Так как в процессе перестройки решетки атомы могут перемещаться только в определенных направлениях по отношению к своим соседям, то в результате такого перемещения происходит сдвиг. Ввиду того, что при образовании новой фазы нет обмена атомов местами, ее состав не отличается от состава исходной фазы, т. е. мартенситное превращение в сплавах является бездиффузионным.
При термической обработке сталей протекают следующие основные превращения.
Превращение ферритно-карбидной структуры в аустенит при нагреве выше А1.
Превращение аустенита при охлаждении ниже А1 в зависимости от температуры переохлаждения осуществляется по различным механизмам. Некоторое время ниже А1 аустенит может оставаться непревращенным, и тогда его называют переохлажденным аустенитом. При относительно небольших переохлаждениях ниже А1 происходит диффузионное превращение переохлажденного аустенита в ферритно-карбидную структуру. Оно также называется перлитным превращением (независимо от характера образующейся структуры).
В случае больших переохлаждений ниже А1, когда диффузионные процессы оказываются заторможенными, начиная с определенной температуры, обозначаемой как точка МН, происходит бездиффузионное сдвиговое превращение переохлажденного аустенита в мартенсит. В углеродистых сталях под мартенситом понимают пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в a-железе.
В температурной области, лежащей ниже интервала перлитного превращения, но выше Мн, протекает промежуточное или бейнитноепревращение. Оно носит черты как диффузионного, так и бездиффузионного сдвигового превращения.
Диффузионное и промежуточное превращения также называют распадом переохлажденного аустенита по типу первой и второй ступени соответственно.
Мартенсит является метастабильной фазой. При нагреве до температур, лежащих ниже А1, он распадается с образованием ферритно — карбидной структуры.