ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Современные представления об образования аустенита из "Образование аустенита в железоуглеродистых сплавах " Большое внимание образованию аустенита при скоростном нагреве было уделено киевскими металлофизиками, многолетние исследования которых обобщены в монографии [ 3]. Тем не менее проблема а - 7-пре-вращения настолько разносторонняя и сложная, что целый ряд ее аспектов и по сей день вызывает дискуссии и нуждается в дополнительном освещении. [c.5] Основная особенность образования аустенита заключается в том, что из двухфазной смеси феррита (около 0,02 % С) и цементита (6,67 % С) при нагреве образуется одна фаза - аустенит со средним содержанием углерода в стали. Поэтому процесс перестройки решетки а-твердого раствора в решетку 7-фазы усложняется накладывающимися на него процессами диффузии. То, что диффузия играет большую роль при образовании аустенита, не вызывает сомнений. Дискуссия происходит вокруг вопроса о том, что осуществляется раньше аллотропическое превращение и затем диффузионное перераспределение углерода или же сначала перераспределение углерода в а-фазе, а потом перестройка решетки. [c.5] В результате проведенных исследований были предложены два механизма а 7-превращения, получивших название диффузионного (или флуктуационного) и бездиффузионного. [c.5] Диффузионный механизм основывается на рассмотрении диаграммы Fe- , согласно которой в межкритической области концентрация аустенита определяется линиями GS (для доэвтектоидной) и SE (для заэв-тектоидной стали). В связи с этим сторонники указанной теории считают, что при нагреве должен сразу возникать зародыш аустенита равновесного состава. Формирование 7-фазы с меньшей концентрацией углерода считается неоправданным с термодинамической точки зрения, поскольку свободная энергия такого аустенита больше, чем равновесного. [c.5] Как принято считать, обогащение а-фазы углеродом происходит в результате концентрационных флуктуаций. Естественно ожидать, что если такие флуктуации концентрации вообще возможны, то они с наибольшей вероятностью должны реализоваться на поверхности раздела фер-ритной и карбидной фаз, т.е. именно в этих местах должны образовываться аустенитные участки. Нужно отметить, что, несмотря на большое количество экспериментальных работ, освещающих образование у-фазы, по этому вопросу до сих пор имеются разногласия. В одних исследованиях действительно обнаруживалось образование 7-фазы исключительно на поверхности раздела феррит — карбид. Другие авторы наблюдали зародыши аустенита и по границам блоков и зерен феррита. [c.6] Бесспорным является то, что при нагреве стали с исходной ферритоперлитной структурой образование 7-фазы в первую очередь завершается в перлитных участках. Это обычно используется как одно из главных доказательств справедливости флуктуационной теории. Однако в некоторых исследованиях утверждается, что и в том случае, когда аустенит образуется внутри перлитного зерна, на месте зарождения 7-фазы всегда присутствует поверхность раздела феррита. Так, в работе [ 4] методами трансмиссионной электронной микроскопии бьшо установлено, что в стали со структурой пластинчатого перлита аустенит предпочтительно образуется на границах перлитных колоний, а не на поверхности раздела цементитных и ферритных пластин. В стали с зернистым цементитом аустенит зарождается у карбидной частицы только в том случае, если эта частица расположена на стыке ферритных зерен. К аналогичному выводу пришли и авторы работ [ 5, 6]. Было обнаружено, что в мелкозернистой стали со структурой сфероидизированного цементита образование аустенита ускоряется в 3 - 8 раз по сравнению с крупнозернистым состоянием при практически одинаковом размере карбидных частиц. При этом инкубационный период сокращается в 3 — 4 раза [ 6]. [c.6] В дозвтектоидной стали с феррито-перлитной структурой а - 7-пре-вращение также начинается преимущественно по границам ферритных зерен и субзерен и на границах перлитных колоний [ 8,9]. Однако с удлинением выдержки активность развития а -превращения в перлитных участках возрастает, что в конечном итоге приводит к формированию при нагреве выше A i двухфазной ферртпо-аустенитной структуры. [c.7] Основное возражение против такого механизма сводится к низкой температуре аустенитного превращения (727 против 911°С для чистого железа). В работах А.П. Гуляева [11] этот эффект объяснен с позиций понятия о контактном плавлении, которым обусловливают низкую температуру плавления эвтектик. Применяя эти представления к рассмотрению механизма а - 7-превращения, А.П. Гуляев делает вывод о том, что 911°С - это температура перехода в 7-фазу границ зерен феррита, находящихся в контакте с такими же ферритными зернами. Температура же превращения в 7-железо пограничных слоев феррита, находящихся в контакте с цементитом, соответствует линии диаграммы состояния. Этим и объясняется возможность протекания а - - 7-превращения при такой низкой температуре. [c.8] Исходя из этих представлений, можно также ожидать образования 7-фазы исключительно на поверхности раздела феррита и карбидов. Обнаруженное же в ряде цитированных выше работ зарождение аустенита на границах ферритных зерен и с этих позиций не находит объяснения. [c.8] По поводу низкой температуры образования аустенита по сравнению с температурой полиморфного превращения железа нужно отметить следующее. Как видно из диаграммы (см. рис. 1), температура начала а - 7-перехода для феррита меняется в зависимости от содержания в нем угл ода. Для чистого (безуглеродистого) железа она соответствует 911°С, однако при добавлении углерода резко снижается. В связи с этим для сталей, в которых количество углерода меньше определяемого точкой Р, а 7-превращение в однофазном ферритном состоянии должно начинаться ниже 911°С (в соответствии с линией GF), хотя карбиды в данном случае в образовании аустенита не участвуют. Таким образом, для объяснения эффекта снижения температуры превращения феррита не требуется привлекать представлений об изменении температуры фазового перехода на границах разноименных фаз. Это обстоятельство ускользает от внимания исследователей, в то время как с его учетом появление аустенита в ферритной матрице при температурах ниже 911°С становится вполне объяснимым. [c.8] Авторы, придерживающиеся концепции о бездиффузионном характере а - 7-превращения, тот же эффект повьшхения критической точки объясняют смещением не самой температуры начала превращения, а температуры максимальной скорости его развития, поскольку именно этот момент и фиксируется на термических кривых в виде площадки . Что же касается температуры начала а 7-превращения, то, признавая бездиффузионный механизм образования аустенита, эти авторы считают температуру его начала практически не зависящей от скорости нагрева, что было подтверждено металлографическими исследованиями в работах А. П. Гуляева и В. М. Залкина. [c.9] Возможность бездиффузионного а 7-превращения признается многими исследователями при быстром нагреве (несколько сотен градусов в секунду). Как принято считать, при таких условиях удается подавить развитие диффузионных процессов, в связи с чем становится возможным осуществление а - 7-превращения непосредственной перестройкой решетки железа без участия карбидной фазы, в результате чего формируется малоуглеродистый аустенит. Однако в большинстве работ делается заключение, гго и в этом случае состав образовавшегося аустенита сразу соответствует диаграмме состояния за счет смещения вверх интервала фазового перехода. Таким образом объединяются представления о бездиффузионном характере а - 7-превращения с требованием обязательного формирования стабильного по составу аустенита, что якобы диктуется термодинамическими соображениями. [c.9] Известно также значительное количество работ, в которых были предприняты попытки прямого определения состава 7-фазы в момент ее формирования. Большинство измерений проведено в условиях скоростного нагрева, когда, как справедливо считали авторы, затруднены диффузионные процессы, что давало надежду зафиксировать раздельно эффект перестройки решетки и последующее растворение карбидной фазы и насыщение аустенита углеродом, если процесс образования аустенита действительно происходит в две стадии. Однако трактовка результатов этих работ затруднена значительным смещением в область более высоких температур регистрируемого начала а - 7-превращения при скоростном нагреве. Так, в работе [ 13] о составе 7-фазы судили по температуре мартенситного превращения, которая, как известно, зависит от содержания в аустените углерода. Бьшо показано, что после скоростного нагрева до 850 - 870°С в сталях У8, У12, ШХ15 фиксируются две мартен-ситные точки одна в районе 500 — 600°С, что соответствует малоуглеродистому аустениту (0,1 - 0,2 % С), вторая около 300°С, что соответствует 7-фазе с содержанием углерода 0,6 — 0,7 %. Однако, поскольку температура образования малоуглеродистого аустенита в этой работе не зафиксирована, его можно рассматривать либо как метастабильное состояние, либо, как это делают авторы, объяснять его происхождение смещением температуры его образования до 850 - 870 С, при которой концентрация 0,1 — 0,2 % С соответствует линии GS равновесной диаграммы. [c.10] В работе [14] для стали 40 бьшо определено содержание углерода в мартенсите после высокочастотной закалки от разных температур. При этом бьшо обнаружено, что при закалке от 800°С, когда равновесной концентрации аустенита соответствует 0,35 % С, содержание углерода в основной массе кристаллов колебалось от 0,14 % при скорости нагрева 50°С/с до 0,05 % при скорости нагрева 200°С/с. Обе эти концентрации гораздо ниже равновесной, причем в данном случае существование малоуглеродистого аустенита не может быть объяснено его образованием при более высокой температуре, поскольку температура нагрева фиксировалась. Эти данные свидетельствуют о том, что при закалке регистрировалась стадия а 7-превращения, когда карбиды не успели раствориться и в связи с этим аустенит еще не насытился углеродом. [c.10] Значительно более совершенная методика для изучения процессов образования аустенита бьша использована В.Н. Гридневым, В.Н. Мина-ковым и В.И. Трефиловым. Авторами был разработан скоростной метод высокотемпературной рентгеновской съемки, позволяющий регистрировать интерференционные максимумы за время около 10 с через каждые 3 10 с [3]. Пользуясь этой методикой, авторы проследили за изменением фазового состава и измерили периоды решеток а- и 7-фаз для сталей 30, 45 и У8 в процессе их быстрого нагрева (со скоростями до500 С/с). [c.11] Для решения вопроса о механизме а - 7-превращения наибольший интерес должно представлять определение состава аустенита, образующегося в доэвтектоидных сталях, поскольку, если признать возможность формирования только стабильной 7-фазы, концентрация в ней углерода при фиксированной температуре межкритического интервала не должна зависеть от состава сталей (см. рис. 1). [c.11] Признавая бесспорную ценность предложеной методики, следует тем не менее отметить, что в указанных исследованиях при нагреве со скоростью 100°С/с первые линии аустенита в отожженных сталях регистрировались лишь при 780°С. Для стали 45 эта температура превышает равновесную критическую точку Асз, поэтому сравнение периодов решетки аустенита для двух изученных в цитированной работе доэвтектоидных сталей (30 и 45) уже не может быть показательным. [c.11] Для стали 30 при 800°С в этой работе бьш зафиксирован аустенит с периодом 03647 нм, что соответствует содержанию углерода около 0,5 %. Авторы, считая, гго эта концентрация близка к определяемой по диаграмме Fe- для данной температуры, пришли к выводу о реализации в любых условиях нагрева диффузионного механизма, приводящего к образованию стабильного аустенита, и о применимости для описания фазового превращения равновесной диаграммы даже при нагреве со скоростью 500 - 600°С/с [ 3]. [c.11] Вернуться к основной статье