Файл: Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник.pdf

Диаграмма изотермического превращения при перегреве пред­

Впервые диаграмма изотермического распада аустенита в стали была построена в 1930 г. Бейном и Давенпортом. Метод изучения кинетики фазовых превращений с помощью подобных диаграмм, называемых также С-диаграммами или С-образными кривыми, оказался исключительно плодотворным в теории термической об­ работки. Число опубликованных диаграмм изотермических прев­ ращений переохлажденной фазы для сталей измеряется величиной порядка Ю3, для титановых 102, алюминиевых (построенных сов­ сем недавно) 102. С-диаграммы построены также для чугунов, не­ которых медных, урановых и других сплавов.

Широкому использованию диаграмм изотермических превраще­ ний способствует то, что они строятся в тех же координатах тем­ пература — время, в которых изображают режимы нагрева и ох­ лаждения при термической обработке.

С помощью С-диаграмм особенно удобно анализировать раз­ личные виды изотермических обработок, включающих ускоренное охлаждение и выдержку при постоянной температуре, например изотермический отжиг и изотермическую закалку (см. § 25 и 40). По С-диаграмме можно прямо определять время начала и конца превращения переохлажденной фазы при заданной температуре и в соответствии с поставленной задачей выбирать режим изотер­ мической обработки.

Более сложно по диаграмме изотермических превращений ана­ лизировать процессы фазовых превращений, протекающие при непрерывном охлаждении, а именно такие процессы и преобладают

149

в практике термической обработки. Некоторые качественные вы­ воды при их анализе можно сделать по диаграмме изотермических превращений. Например, на рис. 84 кривая 1 указывает начало превращения переохлажденной p-фазы в изотермических усло­ виях. Кривые Vi и v2 относятся к двум режимам непрерывного ох­ лаждения. Если принять, что точки а,\ и а2 определяют начало превращения при непрерывном охлаждении, то рис. 84 наглядно показывает, что при более высокой скорости охлаждения v2 пре­ вращение начинается при большем переохлаждении (Т0— Г2> Г 0— ^i) •

Качественно этот вывод правилен. Количественно же нельзя определять начало превращения при непрерывном охлаждении по пересечению кривой охлаждения с С-кривой, построенной в изо­ термических условиях. Дело в том, что инкубационный период оа\ получен исследованием образца во время изотермической выдерж­ ки при температуре Т\. Нас же сейчас интересует образец, непре­ рывно охлаждающийся по режиму щ. Этот образец в инкубацион­ ный период находился при переменных температурах, которые были выше температуры Т\. Но при более высоких температурах превращение в инкубационном периоде протекает более медленно, чем при температуре Д. Следовательно, в непрерывно охлаж­ дающемся образце по достижении температуры Т\ степень пре­ вращения должна быть меньше, чем в образце, который то же самое время находился в изотермических условиях при темпера­ туре Т\. Поэтому в образце, непрерывно охлаждаемом по режиму v\, температура фиксируемого начала превращения должна ле­ жать ниже температуры Ти которая определяется точкой пересе­ чения кривой охлаждения и С-кривой, построенной в изотерми­ ческих условиях.

Для количественного анализа превращений, протекающих при непрерывном охлаждении, следует использовать диаграммы, ко­ торые получили название термокинетических.

Термокинетические диаграммы фазовых превращений строят,

используя непрерывное охлаждение образцов, температура кото­ рых в период охлаждения записывается, например, осциллогра­ фом. Можно измерять какую-либо характеристику образца в процессе его охлаждения (например, его длину при дилатометри­ ческом методе) и по отклонению этой характеристики от плавного изменения определять начало превращения.

Другой способ состоит в охлаждении по одинаковому режиму серии образцов, которые в разные моменты времени закаливают в воде, а затем исследуют их структуру или свойства, определяя поним начало и конец превращения (или определенную степень превращения) при одном режиме непрерывного охлаждения. На­ пример, точки Г\ и г2 указывают начало превращения при скорос­ тях охлаждения щ и v2 (рис. 84). Соответствующая кривая 2 на рис. 84 указывает начало превращения при непрерывном охлаж­ дении с разными скоростями. Эта кривая относится к термокине­ тической диаграмме, на которой можно аналогичным способом,

150

построить кривые конца превращений и кривые, соответствующие определенной степени превращения при непрерывном охлаждении

•с разной скоростью.

Расхождение в положении одинаковых по смыслу линий термо­ кинетической диаграммы и диаграммы изотермических превраще­ ний может быть весьма существенным, как в случае сталей, и не­ большим, как в случае дуралюминов. Заранее предсказать вели­ чину этого расхождения невозможно. Предложенные методы пере­ счета диаграмм изотермических превращений в термокинетичес­ кие дают слишком грубые оценки. Поэтому оптимально построение для промышленных сплавов диаграмм превращений двух типов, хотя термокинетические диаграммы строить трудно. Опыт исполь­ зования даже одних только диаграмм изотермических превраще­ ний показывает, что они позволяют более обоснованно разрабаты­ вать режимы термообработки и успешно анализировать причины брака. Научное же значение диаграмм изотермических превраще­ ний трудно переоценить.

Список, литературы

■Физическое металловедение. Под ред. Р. Кана. Вып. II, гл. V. М., «Мир», 1968

Г л а в а V

ОТЖИГ СТАЛЕЙ

§23. ОБРАЗОВАНИЕ АУСТЕНИТА ПРИ НАГРЕВАНИИ

1.Механизм и кинетика аустенитизации

Перед отжигом углеродистых сталей исходной структурой чаще всего является феррито-карбидная смесь. Из диаграммы состоя­ ния Fe — С (рис. 85) видно, что основное превращение при нагре­ вании— это переход перлита в аустенит при температурах выше точки А1 (727°С).

Переход перлита в аустенит, его кинетика подчиняются основ­ ным закономерностям фазовых превращений, протекающих при

нагревании.

Экспериментально установлено, что зародыши аустенита воз­ никают на границах феррита с цементитом. Начальные этапы фор­ мирования зародышей аустенита экспериментально не изучены и о них имеются лишь предположения. Превращение а0. ц.к. "Уг. ц. к. в чистом железе возможно только при температурах не ниже 911°С. Если же феррит находится в контакте с цементитом, то в соответ­

несколько выше точки А\ содержит около 0,8%С, в то время как феррит в стали содержит сотые доли процента углерода. Каким

151

Рис. 85. Диаграмма -состоянияРе — С

же образом возникает участок фазы с г. ц. к. решеткой и сравни­ тельно высоким содержанием углерода?

Большинство гипотез зарождения аустенита исходит из флуктуационных представлений, причем формально рассматриваются два крайних случая. Во-первых, можно представить, что базой для

как атомов углерода здесь очень мало. На границе феррита с це­ ментитом между фазами идет непрерывный обмен атомами (дина­ мическое равновесие) и <в приграничном слое феррита намного больше вероятность флуктуационного возникновения участков кри­ тического размера с концентрацией около 0,8%iC. Такие участки при любом самом малом перегреве выше точки А\ претерпевают полиморфное а— ^у-превращение твердого раствора и становятся устойчивыми центрами роста аустенитных зерен. Ниже точки A i подобные участки в феррите также могут возникать, но в устойчи­ вые центры роста аустенита они не превращаются, так как у-ре- шетка здесь термодинамически нестабильна.

152

Другое предположение состоит в том, что при зарождении аустенита первичны не флуктуации концентрации, а флуктуационная перестройка решетки. Внутри феррита участки с у р ешетк°й флуктуационного происхождения возникают и исчезают, а на границе с цементитом при температурах выше А\ в эти участки поступает углерод из карбида и если они имеют критический раз­ мер, то становятся устойчивыми центрами роста аустенита.

Возникновению аустенита на межфазной границе Ф/Ц способ­ ствует также уменьшенный здесь размер критического зародыша

новой фазы (см. § 20).

Картина роста сформировавшихся зародышей аустенита более ясна. Рассмотрим изотермическое перлито-аустенитное превраще­ ние при температуре Т\ на рис. 86. При этой температуре в соот­ ветствии с диаграммой состояния на границе с ферритом равно­ весная концентрация аустенита должна изображаться точкой а и

Р:Ис. 86. Участок диаграммы 'Состояния Fe — С (а) и схема распределения кон­ центрации углерода в аустените во время перлито-аустенитного превращения при температуре Т\ (б)

нице аустенита с цементитом имеется большой скачок концентра­ ции углерода ЬК., а на границе с ферритом — меньший скачок оа (на схеме концентрация углерода в феррите принята равной нулю).

Скорость изотермического роста аустенитного зерна контроли­ руется диффузией углерода от границы А/Ц к границе А/Ф, вы­ равнивающая диффузия понижает концентрацию углерода в аустените на границе А/Ц, сдвигая состав аустенита влево от точки b на рис. <86, а. Аустенит при этом становится ненасыщенным по отношению к цементиту, который растворяется, восстанавливая равновесную концентрацию точки Ь. На границе с ферритом вы­ равнивающая диффузия повышает концентрацию углерода в аус= тените, сдвигая ее вправо от точки а на рис. 86, а. Аустенит при

153