книги / Специальные стали. Теория легирования

Рис. 19. Влияние деформации при 900 °С на кинетику бейнитного

Приведенные экспериментальные данные позволяют заключить, что высокотемпературная деформация (800–900 °С) может быть использована для повышения устойчивости аустенита в промежуточной области превращений низкоуглеродистых сталей, у которых высокая устойчивость аустенита в области «нормального» превращения достигается соответствующим легированием.

Кинетика распада аустенита определяется: температурами критических точек Ас1 и Т0, диффузионным и термодинамическим (∆F) факторами. Легирующие элементы влияют на все эти факторы, кроме того, в некоторых случаях требуется еще и диффузия легирующих элементов. Следует отметить, что факторы, определяющие кинетику превращений Ar' и Ar'' немного различаются, поэтому и легирующие элементы влияют на эти превращения по-разному.

Для легированных сталей можно выделить 6 основных типов диаграмм (рис. 20).

Далее рассмотрим, какие легирующие элементы и как влияют на положение линий на диаграмме (табл. 3).

51

Кроме прямого влияния, легирующие элементы могут оказывать и косвенное влияние на кинетику распада аустенита через частицы второй фазы, эти частицы будут затравками при распаде аустенита в перлитной области (т.е. при наличии частиц второй фазы превращение может ускоряться за счет наличия межфазной границы, на которой превращение начинается с меньшими затратами энергии). Это влияние сводится к тому, что превращение А→П ускоряется и диаграмма смещается влево.

Особое значение для Аr'-превращения имеет размер зерна.

С увеличением температуры аустенитизации размер зерна увеличивается, а чем крупнее зерно, тем меньше суммарная площадь поверхности раздела, следовательно, уменьшается поверхность раздела, на которой происходит наиболее благоприятное зарождение зародышей. В данном случае диаграмма смещается вправо.

Следует отметить, что по сравнению с косвенным, прямое влияние сильнее.

Особенности Аr'-превращения в легированных сталях

В зависимости от типа легирующего элемента при распаде аустенита в области Аr' в легированных сталях могут образовываться разные продукты распада.

54

В качестве примера рассмотрим 3 варианта возможных превращений:

1)Алег → Флег + Ц (Аr');

2)Алег → Ф + Цлег (Аr');

3)Алег → Ф +Спец. карбид.

В данной схеме индексом лег обозначена фаза, в которой содержание легирующего элемента превышает среднее содержание в стали.

Первый вариант развития событий возможен, когда сталь легирована некарбидообразующими элементами – Ni, Co, Al, Si;

Алег → Флег + Ц.

Для протекания этого превращения не требуется диффузия легирующих элементов. Для образования Флег нет необходимости в изменении кристаллической решетки, она остается, как и у обычного феррита. Поэтому кинетика распада аустенита определяется теми же факторами, что и в углеродистой стали, но с учетом влияния на них легирующих элементов.

Положение линий С-образной диаграммы в области Аr' определяется тремя факторами: ∆F, ДFe и ДС. Диффузия легирующих элементов не является определяющей.

Рассмотрим пример никеля (рис. 21). Из табл. 3 известно, что Ас1 при легировании никелем понижается, а следовательно, ∆F уменьшается (см. рис. 21), в этом случае диаграмма смещается вправо; при этом остальные два диффузионных фактора: ДFe – снижается и ДС – увеличивается. Если суммировать все три фактора, получим, что диаграмма смещается вправо при монолегировании никелем:

∆F ↓ диаграмма смещается →; ДFe ↓ диаграмма смещается →; ДС↑ диаграмма смещается ←.

Результат такого влияния при легировании никелем – смещение диаграммы вправо.

Следующий пример – кобальт.

АСо.→ ФСо + Ц (см. табл. 3). ∆F↑ диаграмма смещается ←;

55

ДFe ↓ диаграмма смещается →; ДС↑ диаграмма смещается ←.

Результат такого влияния при легировании кобальтом – смещение диаграммы вправо.

F

∆Fугл

∆FNi

ФКС

Аугл

АNi

Т, °С

Тд Ас1

Рис. 21. Термодинамические условия превращения аустенита

встали легированной никелем

Вкачестве примера были рассмотрены два элемента, которые являются некарбидообразующими и влияние их на положение линий С-образной диаграммы различно.

Второй вариант: Алег → Ф + Цлег (Аr').

Cr, Mo, W – в количестве недостаточном для образования специальных карбидов.

Такое развитие событий в легированных сталях возможно при отжиге или нормализации. Для протекания этого превращения не требуется диффузия атомов легирующих элементов, поэтому кинетику определяют те же факторы, что и в углеродистых сталях.

Вкачестве примера рассмотрим сталь 40Х (содержание хрома до 1 %)

Вслучае нагрева стали 40Х в аустенитную область хром перейдет в твердый раствор (аустенит), а затем, при охлаждении, пре-

56

вращение пойдет по такому механизму: АCr → Ф + ЦCr (Аr'). Влияние хрома на положение Ас1 показано в табл. 3.

∆F ↑ диаграмма смещается ←; ДFe ↓ диаграмма смещается →; ДС ↓ диаграмма смещается →.

Результат такого влияния при легировании хромом – смещение диаграммы вправо.

Третий вариант: Алег → Ф + Спец карбид.

Cr, Mo, W – в количестве, достаточном для образования специальных карбидов:

Cr ≥ 2,5%;

Mo ≥ 0,8 %; W ≥ 1%.

Для протекания этого превращения необходимо, чтобы в локальных участках происходило увеличение (скопление) атомов легирующих элементов, а также железа и углерода.

Поэтому кинетика определяется четырьмя факторами: ∆F, ДFe, ДС и Длег.эл. Первые три можно не рассматривать, так как превращение будет определяться диффузией легирующих элементов: это наиболее длительный процесс и он будет лимитирующим.

В качестве примера рассмотрим сталь 40Х5: АCr.→ Ф +Cr7C3. Из всех четырех факторов самым медленным будет диффузия

атомов хрома, что приведет к смещению диаграммы вправо. Рассмотрим еще один случай: это ситуация, когда в стали при-

сутствуют сильные карбидообразующие элементы V, Nb, Ti. Эти элементы в любом количестве будут находиться в труднорастворимых карбидах. Чаще всего при стандартных режимах нагрева стали в аустенитную область растворения этих карбидов не происходит, поэтому эти элементы в превращении не участвуют, и оно протекает, как в углеродистых сталях: А→ Ф + Ц(Аr').

Нерастворенные карбиды будут оказывать косвенное влияние (как показано выше) – будут затравками для превращения, т.е. диаграмма сместится влево.

Если рассмотреть такой случай, когда V, Nb, Ti растворены при аустенитизации в твердом растворе, то при охлаждении они легко

57

вновь образуют карбиды, и уже непосредственно в области Аr' карбиды не образуются. Превращение идет по следующей схеме:

Из аустенита выделяется специальный карбид типа МеС,

затем

1)Алег → МеС +Аобедн (нелегированный) (до Аr');

2)Аобедн → Ф + Ц(Аr');

3)Эвтектоид = П↓с + Спец К.

Из этой схемы следует, что перлит в эвтектоиде имеет пониженное содержание углерода, а специальный карбид имеет повышенное содержание углерода, что суммарно приводит к смещению точки S на диаграмме Fe-C.

Лекция 9. Особенности Ar''-превращения в легированных сталях

Промежуточное или бейнитное превращение заключается в превращении А →Б (αм+ К). В результате Ar''-превращения образуется гетерогенная структура, состоящая из смеси мартенситной α-фазы и карбидов цементитного типа. Следует отметить, что карбидымогутбытьнесколькихмодификаций: карбиды– Fe3C илиFexC.

αм – мартенситная α-фаза образуется сдвиговым путем, но отличия от мартенсита той же стали все же имеются – это и пониженное содержание углерода (концентрация углерода меньше, чем среднее содержание углерода в стали), и меньшая плотность дислокаций.

Бейнитному превращению предшествует перераспределение атомов углерода в аустените, благодаря такому перемещению углерода концентрация углерода становится разной на разных участках

(рис. 22).

При концентрации углерода Х1 температура начала мартенситного превращения соответствует 250 °С (принимаем условно). Реализоваться такое превращение может только при данных температурах, но если в области бейнитного превращения произойдет перераспределение по углероду и в некоторых участках содержание углерода изменится до Х2 – это концентрация углерода после перераспределения при бейнитном превращении, то на некоторых участ-

58

ках температура начала мартенситного превращения повысится до 350 °С (принимаем условно). Таким образом, при этой температуре в локальных участках начнется образование мартенситной α-фазы.

Мн, °С

350

250

%С

Х2 Х1

Рис. 22. Влияние перераспределения углерода в стали на температуру начала мартенситного превращения (схема реализуется при развитии бейнитного превращения): Х1 – концентрация углерода в стали (исходная)

Это становится возможным только благодаря изменению содержания углерода в аустените в области Ar''. Сдвиговое превращение пойдет в тех участках, где концентрация углерода будет Х2, в обогащенных участках образуются карбиды. Легирующие элементы не влияют на механизм бейнитного превращения, как, впрочем, и на механизмы остальных превращений (т.е. эти механизмы остаются диффузионными, сдвиговыми или смешанными, включающими и тот и другой вариант).

Следует отметить, что легирующие элементы влияют на кинетику и на температурный интервал превращения А→Б. Большинство легирующих элементов влияют на Т0, понижая её.

Кинетика превращения

В углеродистых сталях положение области Аr''-превращения определяется двумя факторами:

1.∆F, ∆F = Fγ + Fα – разница свободной энергии аустенита

имартенситной фазы.

2.ДС.

59

В легированных сталях аустенит, легированный в области Аr'', превращается в бейнит, который состоит из (αм + К) мартенситной аль- фа-фазы и карбидов, которые могут быть как в виде Fe3C, так и в виде FexC. Если легирующие элементы относятся к некарбидообразующим или графитизирующим, то в результате сдвигового γ→α-превращения они переходят в мартенситную α-фазу. Тип карбидов, как и в углеродистых сталях (специальных карбидов не образуется, так как в этой областивозможнатолькодиффузияатомовуглерода).

Положение линий диаграммы в области Аr'' с учетом влияния на нее легирующих элементов (динамика превращения):

если легирующие элементы ↓Т0, ↓ ∆F и Аr'' →; если легирующие элементы ↓Дс, Аr'' →.

Например: Ni – ↓Т0, Аr'' ↓ общая результирующая смещения диаграммы вправо→ ∆ F↓; Дс ↑.

Это влияние легирующие элементы будут оказывать, только находясь в твердом растворе аустенита, т.е. если в химический состав стали входят V, Nb, Ti, образуя труднорастворимые карбиды, и при стандартных температурах нагрева не растворяются в аустените и в прямом влиянии на положение линий диаграммы не участвуют.

Прямое влияние легирующих элементов на кинетику Аr’'- превращения, т.е. легирующие элементы влияют на положение Мн. Следует помнить, что Мн зависит от Т0, а легирующие элементы влияют на Т0 следующим образом:

Si = не влияет

Co ↑ Т0

Al

Остальные элементы ↓Т0

Но это влияние во много раз слабее, чем влияние углерода. Если вспомнить, каким образом содержание углерода влияет

на положение Мн, можно представить зависимость следующего характера (рис. 23).

60