Процесс превращения аустенита при термической обработке

Во время процесса термической обработки превращение аустенита (γ-Fe, гомоцентрическая кубическая структура, твердый раствор углерода в γ-Fe) является ключевым этапом, определяющим конечную микроструктуру и свойства сталей. Он в основном состоит из двух этапов: образования аустенита (аустенитизация) и охлаждающего превращения аустенита. Ниже приведено подробное описание процесса превращения и его характеристик: 

I. Образование аустенита (аустенитизация)

Аустенитизация - 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 объемно-центрированного куба (феррит) до гомоцентрического куба (аустенит) посредством диффузии атомов. Этот процесс делится на четыре этапа:

1. Нуклеация аустенита

Когда сталь нагревается выше температуры Ac₁, аустенит сначала зарождается на границе между ферритом и цементитом в перлите. Это происходит потому, что граница имеет высокую энергию (из-за наличия энергии искажения) и концентрация углерода неравномерна (содержание углерода ниже в феррите и выше в цементите), удовлетворяя термодинамическим и кинетическим условиям для зарождения.

2. Рост аустенита

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

Феррит (центрированный кубический кристаллический график) превращается в аустенит путем перестройки атомов;

Цементит (Fe₃C) разлагается на атомы углерода и железа, при этом 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 содержание углерода в области феррита) требуется гомогенизация состава путем диффузии атомов углерода, в результате чего в конечном итоге образуется аустенит с однородным составом. 

II. Изотермическое превращение аустенита

Охлаждающее 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 удержании постоянной температуры) и непрерывное охлаждающее 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 при постоянной температуре. 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;

Сферид: Межслойное расстояние относительно тонкое (0,1 - 0,5 мкм), требует 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 > сферида > 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, 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 (полосы карбида железа расположены параллельно, между полосами распределены карбонитриды);

Нижний байнит: Образуется в диапазоне от 350°C до точки Ms, имеет "игольчатую" структуру (игольчатые кристаллы карбида железа равномерно распределены в мелких карбонитридах).

Характеристики свойств: Верхний байнит имеет низкую вязкость (межслойные карбонитриды способствуют концентрации напряжений); Нижний байнит имеет высокую прочность (твердость 50 - 60 HRC) и хорошую вязкость (лучше, чем у верхнего байнита и перлита), является превосходной структурой композиционного материала.

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

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

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

Высокоуглеродистый мартенсит: Когда содержание углерода > 1,0%, он имеет "игольчатую" форму (пересекающиеся и с микроскопическими трещинами);

Низкоуглеродистый мартенсит: Когда содержание углерода < 0,2%, он имеет "пластинчатую" форму (параллельное расположение, без трещин).

Характеристики свойств: Очень высокая твердость (низкоуглеродистый мартенсит ~ 30 - 50 HRC, высокоуглеродистый мартенсит ~ 60 - 65 HRC), но высокая хрупкость (особенно высокоуглеродистый 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). Медленная скорость охлаждения (например, нормализация): При охлаждении на воздухе получается тонколистовый перлит (сфероидит);

Быстрая скорость охлаждения (например, охлаждение в масле): может привести к образованию бейнита (средняя скорость охлаждения);

Очень быстрая скорость охлаждения (например, закалка в воде): выше "критической скорости охлаждения", сталь непосредственно переохлаждается ниже точки Ms, что приводит к образованию мартенсита (+ остаточного аустенита). 

III. Основные факторы, влияющие на превращение аустенита

1. Химический состав:

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

Специальные примеси: элементы, такие как Cr, Ni и Mn, понижают точку Ms и задерживают превращение в мартенсит; элементы, такие как Si и Mo, измельчают 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 последующая скорость превращения при охлаждении (крупные зерна снижают скорость зародышеобразования).

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

Резюме

Превращение аустенита является ядром термической обработки. Управляя температурой аустенитизации, временем выдержки и скоростью охлаждения, можно получить различные структуры, такие как перлит, бейнит и мартенсит, тем самым регулируя свойства сталевых материалов, таких как прочность, твердость и вязкость (например, закалка + отпуск могут привести к образованию отпущенного мартенсита с балансом прочности и вязкости, а нормализация может создать равномерную структуру сорбит).)