HomeОбработка сталиТермическая обработка › Понятие о неравновесных состояниях стали

Понятие о неравновесных состояниях стали

Понятие о неравновесных состояниях сталиОба названных вида термических операций — закалку и отпуск — рассматриваем вместе, так как в практике они обыкновенно связаны друг с другом и поскольку и при закалке, и при отпуске получаются сплавы в неравновесном состоянии.

 

Поэтому, чтобы понять сущность процессов, происходящих в обеих операциях, обратимся к рассмотрению неравновесных состояний, получаемых в сплавах в связи с превращениями в твердом состоянии, применяя в качестве примера конкретные сплавы.

 

Получение неравновесных состояний при закалке сводится к тому, что сплав путем быстрого охлаждения фиксируется в состоянии, не свойственном равновесию при нормальной (атмосферной) температуре.

 

Так, для получения сталей в неравновесном состоянии нужно перевести их путем нагрева в состояние аустенита (твердого раствора Fe-,) выше линий GOES  и быстрым охлаждением предотвратить его полное превращение в критических точках с образованием явно выраженных участков перлита (отвечающих равновесному состоянию). Такой переохлажденный твердый раствор — аустенит — при обыкновенной температуре будет являться неравновесным.

 

Получение такого зафиксированного при низких температурах аустенита и будет представлять типичный пример получения неравновесного состояния в сплаве, т. е. пример его закалки.

 

Из этого следует, что для получения всякого сплава в неравновесном состоянии должно быть соблюдено одно необходимое условие: он должен находиться при каких-то высших температурах в ином фазовом состоянии, чем при обыкновенной температуре, или, другими словами, для того, чтобы сплав можно было подвергнуть закалке, нужно, чтобы в нем имелись фазовые превращения в твердом состоянии.

 

Если при охлаждении фазовое превращение не произойдет совсем, или остановится на начальной своей стадии, то получим неравновесное состояние сплава, определяющее его закалку. Может быть и такой случай при закалке, когда превращение произойдет, т. е. образуются фазы, соответствующие равновесным, но в таком размельченном виде, что по структуре сплав не будет вполне устойчивым, поскольку очень размельченные выделения фаз стремятся к укрупнению путем коагуляции , и последняя происходит в большей или меньшей степени.

 

Состояния сплава, получаемые при этом, рассматриваются как метастабильные и их относят тоже к неравновесным, в отличие

 Рассматривая процессы закалки и отпуска на„.примере сталей, будем иметь в  виду так же, как при рассмотрении прочих явлений, что теория их может быть при-ложима и к другим сплавам ,от стабильных (равновесных), наблюдаемых при отжиге.

 

При этом следует обратить внимание, что неравновесными они являются лишь структурно, но не в отношении присутствующих фаз. В связи с этим получаемые при закалке (а равно и при отпуске) подобные состояния определяют как метастабильные (полуустойчивые) в отличие от стабильных (устойчивых), образуемых в сплавах в условиях равновесия. Рассмотрим эти состояния на конкретном примере эвтектоидной стали.

 

Различные стадии превращения аустенита

В эвтектоидной стали (0,83% С) происходит одно только фазовое превращение:

Ау = чМ-Ц.

Здесь аустенит — раствор углерода в т -железе — является равновесным выше точки А\\. Если при охлаждении ниже точки Агх превращение совсем не начнется, то получим неравновесный, переохлажденный аустенит.

 

Такой аустенит фиксируется, но только на более или менее короткое время, зависящее от того, до какой температуры переохлажден аустенит. Если это переохлаждение незначительно, -температура немного ниже Агх (близка к 723°), аустенит претерпевает указанное перлитное превращение полностью и получается состояние, которое рассматриваем как равновесное — стабильное, со структурой перлита, в котором обе равновесные фазы — феррит и цементит — явно различимы под оптическим микроскопом (хотя бы и при большом увеличении) и структура перлита остается неизменяемой с течением времени, т. е. устойчивой (стабильной).

 

Такое состояние распада аустенита при небольшом его переохлаждении рассматриваем как указанное выше (§ 86) предельное состояние равновесия, получаемое при отжиге стали в связи с медленным охлаждением.

 

Все остальные состояния, образуемые при более низких температурах переохлаждения аустенита, дают уже состояния, которые относят к метастабильным (неравновесным), и они, очевидно, будут представлять промежуточные состояния между указанным равновесным и совершенно нераспавшимся переохлажденным аустенитом. Рассмотрим, что представляют эти промежуточные метастабильные состояния.

 

Состояние сорбита и троостита. Если аустенит переохладить еще ниже, чем при образовании перлита, то в нем произойдет тоже полное превращение в смесь цементита с ферритом, но только эта смесь получается все более размельченной или, как говорят, дисперсной.

 

Понятие о дисперсных системах дает коллоидная химия, и так как состояния, получаемые при закалке, часто отвечают дисперсным смесям, нужно ознакомиться с некоторыми положениями и терминами из учения о коллоидах.

 

Термическая обработка стали

Коллоидная химия учит, что всякие два тела при известных условиях, когда они становятся взаимно нерастворимы, могут образовать настолько размельченную смесь, что различать отдельные составные части этой смеси становится весьма затруднительным или вовсе невозможным даже при самых больших увеличениях под оптическим микроскопом. Такая смесь называется коллоидальным раствором двух фаз, но его правильнее называть коллоидальной смесью.

 

Коллоидальная смесь представляет частный случай так называемой дисперсной смеси. Под последней подразумевают всякого рода размельченную смесь, в том числе и такую, которая может быть различима под микроскопом. Таким образом, например, эвтектические или эвтектоидные смеси также будут представлять дисперсные смеси.

 

Все различие между дисперсными смесями будет заключаться в размельченное Тм этих смесей или, как говорят, в степени их дисперсно с т Hi Там, где частички фаз настолько велики, что ясно различимы под микроскопом, имеется грубодисперсная смесь, в которой степень дисперсности относительно невелика.

 

Там, где эти частички переходят за предел видимости под микроскопом, имеется уже мелкодисперсная или высокодйсперс-с н а я смесь; степень дисперсности ее оказывается значительной. Коллоидальная смесь как раз и представляет такую высокодисперсную смесь.

 

Подразделение на грубо- и мелкодисперсные смеси условно; на самом деле имеется непрерывная градация дисперсности смесей, начиная от молекулярных и вплоть до весьма грубых смесей, различимых-простым глазом, которые уже не принято называть дисперсными (такую смесь называют конгломератом).

 

Чтобы точнее определить степень дисперсности, или размельченность смеси, нужно различать в ней дисперсную фазу и дисперсионную среду.

Во всех дисперсных смесях имеется такое строение, что одна из фаз рассеяна в виде более или менее мелких частичек в другой фазе, представляющей по отношению к первой сплошную основную среду.

 

Фаза, рассеянная в виде мелких частиц, называется дисперсной фазой (она является как бы растворимым в коллоидальном «растворе»). Другая же фаза, в которой взвешены частицы дисперсной фазы, называется дисперсионной средой. Степень дисперсности определяется размерами (крупностью) частиц дисперсной фазы и представляет отношение поверхности дисперсных выделений к их массе. Очевидно, чем мельче выделения, тем это отношение больше, т. е. степень дисперсности выше.

 

Наивысшая дисперсность (наибольшая тонкость смеси) получится тогда, когда частички дисперсной фазы равны молекулам. Это будет так называемый коле-куля р-д исперсоид. Размер частиц в нем должен приближаться к размеру атомов, т. е. к порядку Ю-8 см. Здесь получается, по существу, уже переход от смеси к истинному раствору.

 

В твердом растворе, если он представляет распределение атомов растворимого в решетке растворителя, образование молекул химического соединения можно считать как образование дисперсной смеси. Например, выделение из твердого раствора аустенита молекул FesC есть уже образование коллоидального раствора, так как твердым раствором является только такой, где атомы углерода распределены между атомами кристаллической решетки железа.

 

Пластинки цементита в смеси, получаемые при закалке, будут тем мельче, чем ниже температура переохлаждения аустенита. Размеры цементитных образований (пластинок) при этом уже переходят за предел разрешающей способности оптического микроскопа, т. е. имеют величину порядка Ю-5 Ю-7 см (сотые и тысячные доли микрона) и, следовательно, не могут быть различимы под оптическим микроскопом, как в перлите.

 

Размельченность или дисперсность таких смесей весьма велика,1 почему их и называют высокодисперсными смесями. По сравнению с ними перлит можно назвать уже грубодисперсной смесью. Состояния стали, полученные из переохлажденного аустенита и представляющие высокодисперсные смеси цементита с ферритом, называются сорбитом и трооститом.

 

В сорбите дисперсность меньше, и он непосредственно граничит с перлитом как по размерам цементитных образований, так и по температурам переохлаждения аустенита, из которого он образуется. В троостите дисперсность выше, а температуры образования ниже. Очевидно между перлитом, сорбитом и трооститом по существу нет особой разницы и точно указать границу между ними невозможно.

 

Состояние мартенсита. При значительном переохлаждении аустенита, начиная с некоторой температуры, уже не получается распадения аустенита в высокодисперсную смесь, а наблюдается превращение особого рода, которое заключается главным образом в том, что в отдельных местах аустенита происходит мгновенная перестройка решетки т-железа в решетку а-железа без выделения углерода и образования цементита.

 

Таким образом, наряду с аустенитом (т-раствором) образуется твердый раствор углерода в а-железе, причем последний по своей природе и образованию резко отличается от аустенита и рассматривается как особое состояние стали, называемое мартенситом.

 

Таким образом, при наибольшем переохлаждении аустенита сталь получается в стадии мартенсита, который почти всегда сопровождается некоторым количеством сохранившегося (так называемого остаточного) аустенита, и следовательно, закаленное на мартенсит состояние стали можно рассматривать как смесь твердых растворов углерода в а- и f-железе. Так как обычно при этом количественно преобладает мартенсит, то получаемое закаленное состояние определяют большей частью как просто мартенситное (хотя правильнее было бы определять как мартенсито-аустенитное).

 

Связь закаленных состояний со скоростью охлаждения.

Установив по кривым изотермического распадения аустенита возможность получения разных метастабильных (неравновесных) состояний в эвтектоидной стали, — сорбита, троостита и мартенсита, в зависимости от степени переохлаждения аустенита, приходим, естественно, к вопросу, какое значение при этом имеет скорость охлаждения. Ведь в практике результаты закалки обычно связывают со скоростью охлаждения.

 

Связь между скоростью охлаждения и кривыми изотермического распадения нетрудно установить, если учесть, что скорость охлаждения определяется числом градусов падения температуры в единицу времени (секунду). Так как координаты на диаграмме изотермического превращения (фиг. 147) представляют температуру и время, то здесь же можно построить кривые, соответствующие скоростям охлаждения.

 

Например, если на схематической диаграмме изотермического распадения аустенита в виде кривых / и II, приведенной , а изобразим кривую, отвечающую малой скорости охлаждения, то она должна представлять пологую линию и располагаться примерно, как показывает линия 1. При этом медленном охлаждении кривая скорости охлаждения пересечет кривую (//) окончания превращения в точке а, близкой к А\\\\ это значит, что переохлажденный аустенит распадается полностью близ точки АГ и даст перлит. Это будет превращение, отвечающее отжигу на равновесное состояние.

 

При большей скорости охлаждения кривая, отвечающая этой скорости, пойдет менее полого, примерно как показывает кривая. Эта кривая пересечет кривую // в точке Ь; это значит, что переохлажденный аустенит в процессе непрерывного охлаждения успеет полностью распасться при более низкой температуре, когда получается сорбит. Это будет уже умеренная закалка на сорбит.

 

При еще больших скоростях охлаждения наблюдается окончание распадения переохлажденного аустенита

 

Далее, по мере ускорения охлаждения, кривые охлаждения будут направляться все круче (кривые 5, б и 7, фиг. 148, а), и первое превращение на троостит не успеет закончиться. Оставшаяся часть переохлажденного аустенита начнет уже превращаться в мартенсит (в точках е, f и g); будет получаться еще более резкая (сильная) закалка на троостит с мартенситом.

 

Наконец при наибольших скоростях.охлаждения, когда кривые охлаждения (8 и 9, фиг. 148, а) направлены настолько круто, что совсем не пересекают кривую / (начала распадения аустенита) и дают только пересечение с горизонталью М (в точках h и k) в стали получается только мартенситное превращение, т. е. закалка на мартенсит (с остаточным аустенитом).

 

Из приведенной схемы видно, что влияние скорости охлаждения на результаты закалки сводится к тому, при каких температурах переохлаждения произойдет превращение аустенита. При малых скоростях переохлаждение меньше и образуются сорбит или троостит: произойдет умеренная (слабая) закалка; при больших скоростях переохлаждение больше и образуется мартенсит либо с некоторым количеством троостита, либо совсем без него: произойдет резкая (сильная) закалка.

 

Таким образом, результаты закалки при непрерывном охлаждении стали действительно определяются скоростью охлаждения, которая и здесь является важнейшим фактором термической операции, почему в практике приходится учитывать и определять величину скоростей охлаждения.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.