Процесс превращения аустенита при термической обработке

Во время процесса термической обработки превращение аустенита (γ - Fe, кубическая структура с центрированными гранями, твердый раствор углерода в γ - Fe) является ключевым этапом, который определяет конечную микроструктуру и свойства сталей. Он в основном состоит из двух этапов: образование аустенита (аустенизация) и охлаждающее превращение аустенита. Ниже приведено подробное описание процесса превращения и его характеристик: 

I. Образование аустенита (аустенизация)

Аустенизация - это процесс, при котором сталь нагревается выше критической температуры (Ac₁ или Ac₃), и перлит (смесь феррита и цементита) превращается в аустенит. Его суть заключается в превращении кристаллической структуры от кубической с центрированными углами (феррит) до кубической с центрированными гранями (аустенит) путем диффузии атомов. Он делится на четыре этапа:

1. Нуклеация аустенита

При нагревании выше температуры Ac₁ аустенит сначала зарождается на границе между ферритом и цементитом в перлите. Это происходит потому, что на границе есть высокая энергия (существует энергия искажения) и неравномерная концентрация углерода (углеродное содержание в феррите низкое, в то время как в цементите - высокое), что соответствует термодинамическим и кинетическим условиям для зарождения.

2. Растение аустенита

Нуклеированные кристаллы аустенита продолжают расти, "поглощая" феррит и цементит из окружающей области:

Феррит (центрированный кубический кристаллический стуктура) превращается в аустенит (центрированный по граням кубический кристаллический стуктура) посредством перестройки атомов;

Цементит (Fe₃C) разлагается на атомы углерода и железа, и атомы углерода диффундируют в аустенит (растворимость углерода в аустените намного выше, чем в феррите).

3. Растворение остаточных карбидов

Когда перлит полностью превращается в аустенит, если температура нагрева достаточно высока или время выдержки достаточно длительное, неполностью разложившийся цементит (остаточные карбиды) будет продолжать растворяться в аустените до полного его исчезновения.

4. Гомогенизация состава аустенита

Из-за неравномерного распределения концентрации углерода в исходном аустените (высокое содержание углерода в области цементита и низкое в области феррита) требуется гомогенизация состава за счет диффузии атомов углерода, в конечном итоге образуя аустенит с однородным составом. 

II. Остывающее превращение аустенита

Остывающее превращение аустенита является ключевым аспектом термической обработки (ядром таких процессов, как закалка, отжиг и нормализация), и продукты превращения зависят от скорости охлаждения и температуры превращения. Его можно разделить на две основные категории: изотермическое превращение (превращение при постоянной температуре) и непрерывное остывающее превращение (превращение при непрерывном охлаждении). Соответственно разным продуктам превращения.

1. Изотермическое превращение (на основе кривой TTT)

Изотермическое превращение означает быстрое охлаждение аустенита до определенной температуры (ниже A₁) и удержание его при этой температуре для завершения превращения в условиях постоянной температуры. Закон превращения можно описать кривой TTT (кривой кинетики изотермического превращения). В зависимости от температуры превращения продукты можно классифицировать на три типа:

(1) Перлитное превращение (высокотемпературная зона, от A₁ до 550°C)

Механизм превращения: Диффузионное превращение (как атомы железа, так и атомы углерода диффундируют).

Форма продукта: Слоистая смесь феррита (α-Fe) и цементита (Fe₃C), известная как перлит.

В зависимости от степени измельчения межслойного расстояния его можно классифицировать как:

Перлит: Межслойное расстояние относительно грубое (расстояние > 0,5 мкм), легко различимое под оптическим микроскопом;

Сфероидит: Межслойное расстояние относительно тонкое (0,1 - 0,5 мкм), требующее наблюдения под микроскопом с высокой мощностью;

Триклит: Межслойное расстояние чрезвычайно тонкое (<0,1 мкм), различимое только с помощью электронного микроскопа.

Характеристики свойств: Чем тоньше межслойное расстояние, тем выше прочность и твердость (например, твердость триклита > сфероидита > перлита), но в целом хороша вязкость.

(2) Байнитное превращение (средняя температура, от 550°C до точки Ms)

Механизм превращения: Полудиффузионное превращение (атомы железа не диффундируют, в то время как атомы углерода диффундируют на короткие расстояния).

Форма продукта: В зависимости от температуры образования можно классифицировать следующим образом:

Верхний байнит: Образуется в диапазоне от 550°C до 350°C, имеет "перообразную" структуру (параллельное расположение полосок феррита с карбонитридами, распределенными между полосами);

Нижний байнит: Образуется в диапазоне от 350°C до точки Ms, имеет "игольчатую" структуру (равномерно распределенные мелкие частицы карбонитридов внутри игл феррита).

Характеристики свойств: Верхний байнит имеет низкую вязкость (карбонитриды между полосами могут вызывать концентрацию напряжений); Нижний байнит имеет высокую прочность (твердость 50 - 60 HRC) и хорошую вязкость (лучше, чем у верхнего байнита и перлита), является отличной структурой композиционного материала.

(3) Мартенситное превращение (низкотемпературная зона, ниже точки Ms)

Механизм превращения: Превращение без диффузии (атомы только совершают сдвиговые перемещения, без дальнего распространения), относится к "сдвиговому" типу превращения.

Форма продукта: Пересыщенный углеродом твердый раствор α-Fe (центросymmetричная кубическая структура), имеющий игольчатую или пластинчатую форму:

Высокоуглеродистая мартенсит: Когда содержание углерода > 1.0%, она имеет "игольчатую" форму (пересекающиеся и с микроскопическими трещинами);

Низкоуглеродистая мартенсит: Когда содержание углерода < 0.2%, она имеет "пластинчатую" форму (параллельное расположение, без трещин).

Характеристики свойств: Твердость чрезвычайно высока (низкоуглеродистая мартенсит ~ 30 - 50 HRC, высокоуглеродистая мартенсит ~ 60 - 65 HRC), но она хрупкая (особенно высокоуглеродистая мартенсит), и после превращения останется остаточный аустенит (остаточный аустенит).

Критические температуры:

Точка Ms: Начальная температура мартенситного превращения (уменьшается с увеличением содержания углерода, у чистого железа Ms ≈ 910°C, при содержании углерода 1.0%, Ms ≈ 210°C);

Точка Mf: Конечная температура мартенситного превращения (при избыточном содержании углерода, Mf может быть ниже комнатной температуры, что приводит к наличию остаточного аустенита при комнатной температуре). Скорость охлаждения относительно низкая (например, нормализация): В условиях воздушного охлаждения получается тонколистовый перлит (шпинель);

Скорость охлаждения относительно высокая (например, охлаждение маслом): Это может привести к образованию бейнита (средняя скорость охлаждения);

Скорость охлаждения чрезвычайно высокая (например, водяное закаление): Превышая "критическую скорость охлаждения", аустенит непосредственно переохлаждается ниже точки Ms, в результате чего образуется мартенсит (+ остаточный аустенит). 

III. Основные факторы, влияющие на превращение аустенита

1. Химический состав:

Содержание углерода: Повышение содержания углерода понижает точки Ms и Mf, увеличивает количество остаточного аустенита; ускоряет превращение в перлит и задерживает превращения в бейнит и мартенсит.

Специальные добавки: Элементы, такие как Cr, Ni и Mn, понижают точку Ms и задерживают превращение в мартенсит; элементы, такие как Si и Mo, уточняют структуру перлита или бейнита.

2. Условия аустенизации:

Чем выше температура нагрева и чем дольше время выдержки, тем крупнее зерна аустенита, тем более равномерен состав и тем медленнее скорость последующего охлаждающего превращения (крупные зерна снижают скорость зародышеобразования).

Скорость охлаждения: Это основной фактор, определяющий продукты превращения (например, ключом к закалке является "быстрое охлаждение, чтобы избежать зоны превращения в перлит / бейнит"). 

Резюме

Теги: аустенитная сталь