Глава
4 ЛЕГИРОВАНИЕ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ И ИХ СВАРИВАЕМОСТЬ
Назад:
4.1 Легирующие элементы и их влияние на превращения и свойства фаз.
4.2
Фазовые превращения в железоуглеродистых сплавах
Образование аустенита при нагреве
является диффузионным процессом и подчиняется основным положениям теории
кристаллизации (появление зародышей, рост кристаллитов и т.п.).
При нагревании, например, эвтектоидной
перлитной стали до температуры Ас1 происходит постепенно
увеличивающееся растворение цементита в феррите в соответствии с линией
предельной растворимости (ч.1, гл.3.3, рис. 3.8, линия РSК). При
дальнейшем возрастании температуры (несколько выше Ас1) концентрация
углерода в отдельных зернах феррита возрастает, они становятся неустойчивыми и начинается
превращение (перестройка решетки) феррита в аустенит, стабильный при данной температуре.
Зародыши аустенита образуются на границе раздела феррита и цементита, где
наличие дефектов структуры снижает энергию их образования. После исчезновения с
ростом температуры границ феррита и цементита наблюдается рост образовавшихся
зерен аустенита. Однако он неоднороден по содержанию углерода в отдельных
зернах (блоках).
Для начала гомогенизации аустенита
требуется повышение температуры выше Ас3 и некоторое время. Чем
больше углерода в стали, тем быстрее протекает процесс гомогенизации. Легирующие
(Cr, Mo, V, W) задерживают процесс аустенизации при нагреве из-за образования
легированного цементита или карбидов легирующих элементов. Процесс задержки
усугубляется увеличением скорости нагрева. При дальнейшем повышении температуры
происходит рост зерна аустенита и его гомогенизация.
Если эвтектоидную сталь переохладить до
температуры ниже Ас3, то аустенит окажется в метастабильном состоянии
и должен претерпевать превращение. Кинетика этого процесса описывается
диаграммами изотермического превращения аустенита, т.е. превращения,
протекающего при постоянной температуре (диаграммы ZTU (нем.) или ТТТ (англ.)).
Процесс изотермического превращения аустенита рассмотрим на примере
переохлаждения эвтектоидной стали (0,8 % С). Пусть, нагретая до 770...780 0С
(несколько выше Ас1) сталь охлаждена до температуры Т1, лежащей ниже
Ас1. При этом аустенит переохлажден на величину DТ (рис. 4.1,а).
Рис. 4.1 – Схема изотермической обработки (а) и кинетическая
кривая распада (б) аустенита
Являясь метастабильным, переохлажденный
аустенит сохраняется в течение времени t1. Точка Н – начало распада,
а точка К – конец распада аустенита, продолжительность распада t1 –
t2.
На рис. 4.1,б показана кинетическая
кривая распада аустенита, из которой видно, что наибольшая скорость распада
наблюдается приблизительно при 50 %-ном превращении аустенита.
Повторяя описанный на рис 4.1,а процесс
при разных степенях переохлаждения DТ, получим в каждом случае разное положение точек Н и К.
Соединив линии, представляющие собой геометрические места точек Н и К при
различных DТ,
построим диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита (рис.
4.2). Пунктирная линия на рис. 4.2. характеризует начало выделения феррита в
доэвтектоидных сталях.
Рис. 4.2 – Диаграмма изотермического превращения
переохлажденного аустенита:
Н – начало распада аустенита; К – конец распада;
Тму – температура минимальной устойчивости
аустенита.
Следствием распада аустенита является
снижение растворимости углерода в феррите, поэтому избыток углерода диффузионно
выделяется из раствора, дополнительно образуя карбид железа по схеме: А 
Ф + К. Увеличивая
степень переохлаждения DТ
можно измельчать зерна образовавшейся карбидно-ферритной фазы. Однако, при
весьма высоких скоростях охлаждения, характерных, например, для процессов
сварки, диффузионный распад аустенита резко тормозится и может вообще не произойти.
Результатом бездиффузионного превращения А Ф является образование
пересыщенного твердого раствора внедрения углерода в 
-железе с искаженной кристаллической решеткой и большими
внутренними напряжениями. Такой пересыщенный раствор называется мартенситом и
характеризуется наивысшей хрупкостью и твердостью. На рис. 4.3, иллюстрирующем
диаграммы изотермического распада, температура начала и конца образования
мартенсита обозначены буквами Мн и Мк.
I II III
Рис. 4.3. Диаграммы изотермического распада аустенита в
низкоуглеродистой (I), среднелегированной (II) и высоколегированной (III) стали
Время минимальной устойчивости аустенита
tmin аустенита, как видно из рис. 4.3, существенно изменяется, если
в стали содержатся легирующие элементы. Находясь в твердом растворе, легирующие
элементы препятствуют распаду аустенита при охлаждении, т.е. сохраняют его
устойчивость в большом временном интервале. В первом приближении можно принять,
что легирующие элементы смещают линии изотермических превращений (С-образные
кривые) вправо (рис. 4.3), а температуру мартенситных превращений М, как
правило, вниз. Углерод, никель, медь и, частично, марганец, находясь в таком
растворе, увеличивают устойчивость аустенита и замедляют скорость его распада в
ферритной области. Карбидообразующие элементы (Cr, Mo, V, Ti и др.) замедляют
распад аустенита в области перлитного превращения при Т = 780...550 0С
и особенно резко уменьшают скорость распада аустенита при Т = 550...400 0С.
При Т < 400 0С скорость распада аустенита вновь резко возрастает.
В результате диаграмма изотермических превращений принимает более сложный вид
(рис. 4.3,II) и состоит как бы из двух С-образных кривых, имеющих два минимума
устойчивости переохлажденного аустенита (tmin1 и tmin2),
соответствующие перлитному (диффузионному) и бейнитному (промежуточному)
превращениям.
Практически распад аустенита всегда
происходит не изотермически, а в условиях непрерывного изменения скорости
охлаждения в интервале температур превращений и кинетика превращений
описывается термокинетическими (анизотермическими) диаграммами, позволяющими
оценивать влияние изменяющихся во времени скоростей охлаждения. При этом
однотипные линии диаграммы термокинетического распада смещаются правее и ниже в
сравнении с линиями изотермического распада. Термокинетический процесс распада
аустенита продолжается в 1,5 раза большее время.
Следует подчеркнуть, что при сварке
плавлением фазовые превращения при охлаждении протекают в переменных
температурно-временных условиях, поэтому для анализа кинетики превращений
целесообразно использовать термокинетические диаграммы анизотермического превращения аустенита, а для анализа
состава конечных структур – структурные диаграммы «структура-скорость охлаждения»
[7]. Схема
процесса, приведенная на рис. 4.4, позволяет определить такие параметры 
превращения, как длительность
охлаждения до появления в структуре бейнита (tб), феррита (tф),
перлита (tп) и сопоставлять их с длительностями охлаждения t
600...500 0С и t 800...900 0С, соответствующими
конкретным термическим циклам различных способов сварки.
Рис. 4.4 – Диаграммы анизотермического превращения аустенита
в
стали 09Г2 (а) и 15ХГ (б):
1,2 - точки на диаграмме изотермического превращения;
Таким образом, анализ диаграмм
состояния и термокинетических диаграмм сплавов позволяют оценивать тепловые
режимы сварки и управлять процессом формирования структуры сварного соединения.