Легирующие элементы оказывают чрезвычайно важное для практики влияние на кинетику распада аустенита. За исключением кобальта, все широко используемые легирующие элементы, растворенные в аустените (Cr, Ni,Mn, W, Mo, V и др.), замедляют перлитное превращение, сдвигая верхнюю часть С-кривой вправо.
Природа увеличения устойчивости переохлажденного аустенита под влиянием легирующих элементов довольно сложная. Если в углеродистых сталях перлитное превращение связано с γ → αперестройкой решетки и диффузионным перераспределением углерода, то в легированных сталях к этому могут добавиться образование специальных карбидов и диффузионное перераспределение легирующих элементов, по-разному растворенных в феррите и карбиде.
Когда сталь в равновесном состоянии должна содержать специальный карбид, возможны несколько вариантов карбидообразования при перлитном превращении. Во-первых, при небольших переохлаждениях из аустенита образуется непосредственно стабильный специальный карбид.
При больших переохлаждениях вместо стабильного может образоваться промежуточный метастабильный карбид, состав которого и (или) структура ближе к аустениту, чем у стабильного карбида. Например, в стали с 0,47%С и 16,2% Cr в интервале 770 — 700 °С образуется стабильный карбид (Cr, Fe)23C6, а в интервале 650 — 600 °С (Cr, Fе)23С6 и метастабильный карбид (Fe, Cr)7С3.
Образование специального карбида с высоким содержанием углерода и карбидообразующего легирующего элемента требует большого диффузионного перераспределения в аустените обоих компонентов карбида.
Из-за низкой подвижности легирующего элемента это перераспределение может не дойти до стадии образования специального карбида (в том числе и промежуточного), но бывает достаточным для образования легированного цементита (Fe, Ме)3С, в решетке которого легирующий элемент (Me) частично замещает атомы железа и содержится в значительно меньшем количестве, чем в специальном карбиде.
Концентрация легирующего элемента в цементите может даже не отличаться от концентрации его в аустените. С увеличением переохлаждения аустенита возрастает вероятность образования легированного цементита вместо специального карбида.
Если непосредственно из аустенита при перлитном превращении образовалась метастабильная карбидная фаза (промежуточный карбид или легированный цементит), то последующая изотермическая выдержка в перлитном интервале температур способна привести к постепенной замене ее стабильным специальным карбидом путем перераспределения легирующего элемента между ферритом и карбидом. Иногда для этого требуются сотни часов.
Растворенные в аустените легирующие элементы не только сами имеют малый коэффициент диффузии, иногда в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем у углерода, но некоторые из них (Мо, W) замедляют диффузию углерода в γ-решетке. Кроме того, некоторые элементы (Cr, Ni) замедляют γ → α-перестройку, являющуюся составной частью перлитного превращения.
Таким образом, легирующие элементы могут замедлять перлитное превращение по следующим причинам:
- из-за образования специальных карбидов и необходимости диффузионного перераспределения в аустените легирующих элементов, атомы которых несравненно менее подвижны, чем атомы углерода;
- из-за замедления диффузии углерода;
- из-за уменьшения скорости полиморфного γ → α-превращения.
В зависимости от состава стали и степени переохлаждения аустенита решающим может оказаться тот или иной из указанных факторов. Например, при добавке к эвтектоидной углеродистой стали 0,8% Мо продолжительность полного распада аустенита при температуре вблизи изгиба С-кривой возрастает на четыре порядка (!), причиной чего является необходимость диффузионного перераспределения компонентов в аустените в связи с образованием карбида (Fe, Мо)23С6.
Более сильный эффект оказывает легирование одновременно несколькими элементами. Замедление распада аустенита под действием легирующих элементов широко используют для увеличения прокаливаемости стали (смотрите Нагрев и охлаждение при закалке сталей).
Схематические диаграммы изотермического распада аустенита
Схематические диаграммы изотермического распада аустенита в углеродистой (а) и легированной (б) сталях. При одинаковой скорости охлаждения степень переохлаждения ΔТ2 > ΔТ1.
Здесь, в разделе об отжиге 2-го рода, важно отметить, что легирование приводит к большему переохлаждению аустенита при неизменной скорости охлаждения. Так как с увеличением переохлаждения уменьшается межпластиночное расстояние, то при одинаковой скорости охлаждения легированная сталь после перлитного превращения оказывается прочнее.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков