Кинетика образования аустенита

Кинетика образования аустенита изображается диаграммой изотермических превращений, аналогичной диаграмме на рисунке Диаграмма изотермического превращения. Отличие состоит в том, что, как показывают опыты, перлито-аустенитное превращение начинается сразу же после перехода через температуру равновесия фаз, т. е. линия начала превращения практически сливается с горизонталью при температуре трехфазного равновесия (727 °С).

Это связано с легкостью зарождения аустенита на ферритокарбидной границе при α — γ-перестройке, рассмотренной выше. Здесь нет противоречий с общей теорией фазовых переходов, так как принципиально фазовое превращение может развиваться при любой малой степени перегрева выше температуры равновесия.

Известный пример практически нулевой степени перегрева при фазовом превращении — плавление кристаллов.


Схема диаграммы изотермического образования аустенита

Схема диаграммы изотермического образования аустенита

Схема диаграммы изотермического образования аустенита в доэвтекоидной стали (И. Н. Кидин, М. А. Штремель):

1 — исчезновение ферритных промежутков в перлите;
2 — исчезновение цементита;
3 — окончание гомогенизации аустенита на месте исчезнувших колоний перлита;
4 — исчезновение свободного феррита;
4´ — прекращение перехода свободного феррита в аустенит ниже температуры А3;
5 — окончание гомогенизации аустенита.


Время окончания разных этапов образования аустенита уменьшается с ростом температуры (смотрите кривые 1 — 5 на рисунке). Скорость всех процессов аустенитизации, имеющих диффузионную природу, пропорциональна коэффициенту диффузии углерода в аустените и градиенту концентраций (Cb — Ca)/X, где Х-сечение растущего зерна аустенита, Cb и Ca — концентрации углерода в точках b и a на рисунке Участок диаграммы.

С повышением температуры экспоненциально растет коэффициент диффузии и увеличивается перепад концентраций Cb — Ca в соответствии с расхождением линий GS и SE на диаграмме состояния Fe — С. Кроме того, с ростом температуры уменьшается скачок концентраций на границе А/Ф (укорачиваются коноды, соединяющие линии GP и GS), что также ускоряет рост аустенита за счет феррита.

При непрерывном нагревании температуры окончания образования аустенита и его гомогенизации повышаются с ростом скорости нагревания (смотрте точки пересечения кривых нагревания V1 и V2 с линиями диаграммы на рисунке; υ1 > υ2). Для получения количественных данных при непрерывном нагревании необходимо строить соответствующую термокинетическую диаграмму.

С увеличением дисперсности исходной структуры время окончания всех этапов аустенитизации уменьшается. Этому способствует не только уменьшение путей, которые должны пройти границы растущих аустенитных зерен, но и увеличение градиента концентраций углерода в аустените, так как та же максимальная разность концентраций, например Cb — Ca, приходится на меньшую длину.

В углеродистых сталях образование и гомогенизация аустенита протекают довольно быстро. При печном нагреве время выдержки больше времени окончания гомогенизации аустенита, которое при обычных температурах нагрева составляет максимум несколько минут (включая все процессы аустенитизации).

Гомогенизация аустенита идет гораздо дольше в легированных сталях. Легирующие элементы неравномерно распределены между ферритом и карбидом.

Некарбидообразующие элементы находятся в феррите, а карбидообразующие — преимущественно в карбиде. По окончании перлитоаустенитного превращения аустенит неоднороден. В участках аустенита, соответствующих исчезнувшим частицам феррита и карбида, различна не только концентрация углерода, но и концентрация легирующих элементов.

Скорость диффузии большинства легирующих элементов на несколько порядков меньше скорости диффузии углерода. Поэтому после окончания перлитоаустенитного превращения аустенит довольно долго остается химически неоднородным, причем разностью концентраций легирующего элемента поддерживается и разность концентраций по углероду.

Рассмотренные процессы аустенитизации играют важную роль при скоростном индукционном нагреве, когда время пребывания стали в области температур аустенитизации очень мало.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Патентирование

Для получения высокопрочной канатной, пружинной и рояльной проволоки применяют изотермическую обработку, которая известна с 70-годов XIX в. и получила название патентирования. Проволоку из углеродистых сталей, содержащих от 0,45 до 0,85%С, нагревают в проходной печи до температуры на 150 — 200 °С выше Ас3, пропускают через свинцовую или соляную ванну с температурой 450 — 550 °С…

Изотермический отжиг

Малая степень переохлаждения аустенита, необходимая при отжиге, может быть получена не только при непрерывном охлаждении стали с печью. Другой путь — ступенчатое охлаждение с изотермической выдержкой в интервале перлитного превращения (смотрите рисунок Основные разновидности отжига 2-го рода доэвтектоидной стали). Такая термообработка называется изотермическим отжигом. После нагрева до температуры выше А3 сталь ускоренна охлаждают до температуры…

Нормализация

При нормализации сталь нагревают до температур на 30 — 50 °С выше линии GSE и охлаждают на воздухе (смотрите рисунок Температура нагрева сталей для отжига 2-го рода). Ускоренное по сравнению с отжигом охлаждение обусловливает несколько большее переохлаждение аустенита (смотрите рисунок Основные разновидности отжига 2-го рода доэвтектоидной стали). Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида…

Влияние режима сфероидизирующего отжига

Для режима сфероидизирующего отжига заэвтектоидных сталей характерен узкий температурный «интервал отжигаемости». Нижняя его граница должна находиться немного выше точки А1, чтобы образовалось большое число центров выделения карбида при последующем охлаждении. Верхняя граница не должна быть слишком высокой, так как иначе из-за растворения в аустените центров карбидного выделения при охлаждении образуется пластинчатый перлит. Так как точки…

Сфероидизирующий отжиг

Для заэвтектоидных сталей полный отжиг с нагревом выше Аст (линия ES) вообще не используют, так как при медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические и другие свойства. К заэвтектоидным углеродистым сталям широко применяют отжиг с нагревом до 740 — 780 °С и последующим медленным охлаждением. После такого нагрева в аустените…