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 остается большое число нерастворившихся включений цементита, которые служат центрами кристаллизации во время распада аустенита при охлаждении.


Микроструктура за эвтектоидной стали У12

Микроструктура за эвтектоидной стали У12 Микроструктура за эвтектоидной стали У12

Микроструктура за эвтектоидной стали У12. Х300:

а — после полного отжига (сетка цементита);
б — после маятникового отжига (зернистый цементит).


В результате образуется структура зернистого перлита (сферодита), почему этот отжиг и называют сфероидизирующим отжигом.

Мелкие частицы цементита при температуре отжига в интервале A1 — Аст получаются в результате деления цементитных пластин.

Это было отмечено еще в начале столетия выдающимся металловедом Н. И. Беляевым. При делении пластины растворяются в наиболее тонких участках, а также в местах выхода на межфазную поверхность Ц/А субграниц в цементите или аустените.

В месте выхода субграницы в цементитной пластине на межфазную поверхность неуравновешенность сил поверхностного натяжения является стимулом для локального растворения цементита до такой конфигурации поверхности, чтобы эти силы уравновесились. Канавки растворения с выпуклыми в сторону аустенита стенками идут вдоль линий выхода субграниц на поверхность пластины.


Канавки растворения

Канавки растворения

Канавки растворения в местах выхода субграницы в цементите (показана пунктиром) на поверхность раздела цементит — аустенит.


Известно, что растворимость частицы зависит от радиуса кривизны ее поверхности и эта зависимость описывается уравнением Томсона — Фрейндлиха:

Формула

где: Cr — концентрация раствора около межфазной границы с радиусом r; С — концентрация раствора около плоской границы; γ — поверхностная энергия на границе фаз; V — атомный объем.

Чем меньше радиус кривизны границы, тем больше около нее равновесная концентрация раствора. Следовательно, около выпуклых стенок канавок растворения в цементите концентрация углерода в аустените будет больше, чем около остальной плоской поверхности пластины.

Выравнивание состава в аустените снизит концентрацию углерода в нем около выпуклых стенок канавки, и так как аустенит здесь окажется ненасыщенным по отношению к цементиту, то цементит растворится и границы его спрямятся.

Это в свою очередь вызовет нарушение равновесия сил поверхностного натяжения у выхода субграниц, последующее восстановление равновесия при углублении канавки и т. д. В результате пластина цементита будет разделена вследствие растворения по ее субгранице.

Аналогичный процесс будет развиваться и в месте выхода на поверхность А/Ц субграницы в аустените. Только в этом случае силы поверхностного натяжения уравновесятся, если на цементитной пластине образуется выступ, а по обе стороны от него впадины. Из-за разной концентрации углерода в аустените около участков цементита с разной кривизной будет локально утоняться пластина, так как углерод будет переноситься через аустенит.

Деление цементитных пластин можно ускорить, применив холодную пластическую или теплую деформацию при температуpax ниже A1. При этом цементитные пластины не разрушаются, как полагали ранее, а пластически деформируются.

При нагреве после холодной и во время теплой деформации путем полигонизации образуются субграницы, способствующие делению цементитных пластин.

Как показало электронно-микроскопическое просвечивание фольг, цементитные пластины делятся не только при их ускоренном растворении у выходов субграниц, но и в местах повышенной плотности дислокаций в цементите.

После деления пластин мелкие их частицы сфероидизируются. Около краев и вершин цементитных частиц с малым радиусом кривизны концентрация углерода в аустените повышена в соответствии с уравнением.

Выравнивание состава внутри аустенита приводит к повышению его концентрации около участков границы с большим радиусом кривизны, где аустенит пересыщается и выделяет цементит. Параллельное снижение концентрации углерода в аустените около краев и вершин приводит к их растворению.

В результате градиент концентраций в аустените восстанавливается и процесс растворения цементита в участках с меньшим радиусом кривизны границы и выделения его в участках с большим радиусом кривизны приводит к округлению частиц.

Таким образом, сфероидизация частиц цементита идет путем переноса углерода через окружающий твердый раствор.

Рассмотренные механизмы деления пластин и сфероидизации частиц одной фазы, находящейся в равновесии с твердым раствором, — общие для сплавов на разных основах.

«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…

Влияние легирующих элементов на перлитное превращение

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…