Преобразование стали во время охлаждения

Превращения стали при охлаждении       

Охлаждение является неотъемлемым этапом процесса термической обработки.        

После нагрева стальной детали и выдержки при определенной температуре для получения аустенита с мелкими и однородными зернами, затем проводится охлаждение.

• Переохлажденный аустенит: Аустенит, который остается непревращенным (с точки зрения структуры) ниже критической точки A₁.
• В этот момент переохлажденный аустенит не превращается немедленно; вместо этого он находится в термодинамически нестабильном состоянии (как нестабильная структура) и в конечном итоге подвергнется превращению.
• В зависимости от степени переохлаждения (т. е. различных температур превращения) переохлажденный аустенит претерпевает три типа превращения:
• Перлитное превращение
• Бейнитное превращение
• Мартенситное превращение

• Условие превращения: Переохлажденный аустенит превращается в структуру перлитного типа в температурном диапазоне A₁ → 550°C.
• Продукт превращения: Механическая смесь, состоящая из чередующихся пластинок феррита и цементита.
• Перлит является одной из пяти наиболее фундаментальных структур в железоуглеродистых сплавах. Он обозначается буквой "P" (от "Перлит"). Название происходит от его перламутрового блеска.     
•   

Сорбит (S)

Температура образования: 650 ~ 600°C; имеет относительно тонкие пластинки, толщиной примерно 80 ~ 150 нм. Пластинки трудно различимы под оптическим микроскопом и могут быть идентифицированы только как пластинчатая структура феррита и цементита под оптическим микроскопом с высоким увеличением (при увеличении 800 ~ 1500×).

Троостит (T)

Температура образования: 600 ~ 550°C; имеет чрезвычайно тонкие пластинки, толщиной примерно 30 ~ 80 нм. Пластинчатые характеристики вообще неразличимы под оптическим микроскопом и могут быть идентифицированы только под электронным микроскопом.

Температура аустенизации и размер зерна аустенита перед превращением влияют только на размер колоний перлита, но не влияют на межпластинчатое расстояние.

От перлита (P) к сорбиту (S), а затем к трооститу (T), чем ниже температура, тем меньше межпластинчатое расстояние и выше прочность и твердость. Они различаются только по тонкости пластинок и свойствам, без существенного различия.

Подобно процессу аустенизации при нагреве, процесс перлитного превращения при охлаждении также является процессом зарождения и роста в твердом состоянии.

Аналогично, из-за нерегулярного расположения атомов на границах зерен, наряду с большим количеством дефектов, таких как вакансии и дислокации, легко происходит перегруппировка атомов, поэтому цементит сначала зарождается на границах зерен аустенита.

После зарождения цементита он начинает расти. В процессе роста содержание углерода в аустените по обе стороны от цементита уменьшается, что способствует зарождению феррита. Они зарождаются и растут попеременно, образуя множественные пластинчатые структуры, состоящие из феррита и Fe₃C.

В то же время зарождение и рост также начинаются одновременно в других частях границ зерен, образуя множественные колонии перлита с различной ориентацией.

Эти колонии перлита растут и сливаются в сплошную массу, и, наконец, вся структура превращается в перлит; таким образом, превращение переохлажденного аустенита в перлит завершено.

Поскольку атомы железа и углерода диффундируют достаточно из-за высокой температуры во время превращения аустенита в перлит, этот процесс называется превращением диффузионного типа.

• Условие превращения: Переохлажденный аустенит превращается в температурном диапазоне 550°C ~ Ms. Для эвтектоидной стали температура Ms составляет 230°C.
• Продукт превращения: Двухфазная механическая смесь Fe₃C (цементита) и перенасыщенного углеродом феррита, обозначаемая буквой "B".
• В 1930 году Э.С. Давенпорт и Э.К. Бейн впервые наблюдали металлографическую структуру продукта превращения в стали после изотермического превращения при средней температуре. Позже, в честь вклада Бейна, эта структура была названа "Бейнит".
• На основе различий в их микроструктурной морфологии бейнит можно разделить на:
• Верхний бейнит (B_u)
• Нижний бейнит (B_l)

• Морфология: Перообразный.

   

  Прерывистый стержнеобразный цементит (Fe₃C) распределен между параллельными ферритными пластинками, которые растут от границ зерен аустенита внутрь зерна.

  

• Нижний бейнит (B₍lower₎ / Bₗ)

   

  Морфология: Бамбуколистообразный. Мелкие чешуйчатые карбиды (Fe₃C) распределены на ферритных иглах.

  Характеристики производительности нижнего бейнита:

  Карбиды в нижнем бейните мелкие и равномерно распределены. Помимо высокой прочности и твердости, он также обладает хорошей пластичностью и ударной вязкостью, что делает его широко используемой структурой в промышленном производстве. Получение структуры нижнего бейнита является одним из методов упрочнения стальных материалов.

  В условиях одинаковой твердости износостойкость структуры нижнего бейнита значительно лучше, чем у мартенсита, и может достигать от 1 до 3 раз больше, чем у мартенсита. Поэтому получение нижнего бейнита в качестве матричной структуры в железо- и стальных материалах является целью, которую преследуют исследователи и инженеры.

  

   

   

  1) Процесс образования верхнего бейнита

   

  Когда температура превращения относительно высока (550 ~ 350°C), ядра феррита предпочтительно образуются в областях аустенита с низким содержанием углерода. Затем эти ядра растут параллельно от границ зерен аустенита внутрь зерна. Между тем, по мере роста феррита избыточные атомы углерода диффундируют в окружающий аустенит. Наконец, короткие стержнеобразные или небольшие чешуйчатые Fe₃C (цементит) осаждаются между ферритными пластинками, распределяясь прерывисто между параллельными и плотными ферритными пластинками, тем самым образуя перообразный верхний бейнит.