8.2.1. Превращение перлита в аустенит при равновесном

8.2.1. Превращение перлита в аустенит при равновесном (медленном)
нагреве
При термообработке сталь нагревают до температур, при которых
происходят аллотропические превращения, которые приводят к важным
структурно-фазовым изменениям.
Превращение перлита (Ф. + Ц) в аустенит (А) происходит путем
образования зародышей аустенитно фазы и их последующего роста. Указанные
зародыши могут образовываться лишь при нагреве до температур, при которых
аустенит является более устойчивой фазой, чем смесь феррита и цементита. В
соответствии с диаграммой состояния Fe–Fe3C это возможно лишь при нагреве
перлита выше равновесной температуры фазового превращения перлита в
аустенит, определяемой критической точкой А1 =727 °С.
Сталь нагревают в специальных термических печах с пламенным или
электрическим обогревом. Первое превращение стали происходит при 727 °С
(линия PSK на диаграмме, см. рис. 7.2.1, ее обозначают АС1 ). Перлит (ферритноцементитная смесь) превращается в аустенит (твердый раствор внедрения
углерода в Fe. При этой температуре аустенит содержит 0,8 % С независимо от
количества последнего в стали. Однофазная аустенитная структура в результате
описанного выше процесса превращения перлита в аустенит наблюдается только
в сталях эвтектоидного (0,8 % С) состава. При нагреве до точки АС1
доэвтектоидной стали происходит изменение структуры Ф0,02 + П 0,8  Ф0,02 + А0,8 .
Для заэвтектоидной стали происходит изменение П0,8 + Ц6,67  А0,8 + Ц6,67.
То есть, в доэвтектоидных сталях после превращения перлита в аустенит
остается избыточная фаза – феррит, в заэвтектоидных – цементит. Для их
превращения в аустенит доэвтектоидные стали необходимо нагреть до
температуры выше АС3, а заэвтектоидные – выше Асm.
Так, например, при дальнейшем нагревании доэвтектоидной стали аустенит
постепенно растворяет феррит, и при температуре АС3 (линия SG на диаграмме,
см. рис. 7.2.1) весь феррит исчезает, а концентрация углерода в аустените
соответствует содержанию в стали.
При нагревании заэвтектоидной стали аналогичное растворение
происходит с избыточным цементитом, который полностью исчезает при
температуре Асm (линия SE на диаграмме).
Превращение П  А – кристаллизационный процесс. Он протекает в
результате образования зародышей аустенита и последующего их роста на
границе между П и Ц (здесь наиболее вероятно образование участков,
содержащих 0,8 %C). Состав аустенита отличается от состава Ф и Ц, из которых
он образуется, поэтому превращение носит диффузионный характер и
сопровождается перемещением атомов углерода на значительные расстояния.
Необходима некоторая выдержка, чтобы процесс завершился. С увеличением
температуры перегрева стали относительно точки АC1 значительно возрастает
скорость образования зародышей аустенита, и скорость их роста. Кроме того,
скорость образования аустенита тем выше, чем дисперснее частицы цементита в
перлите (т. к. возрастает площадь поверхности раздела между Ф и Ц).
Величина образовавшегося зерна аустенита имеет большое влияние на
свойства стали. По склонности аустенитного зерна к росту различают
наследственно крупнозернистые
и наследственно мелкозернистые
стали.
Стали, раскисленные в процессе плавки только Si и Mn, обладают
повышенной склонностью к росту зерна с повышением температуры, и
называются наследственно крупнозернистыми. Стали, раскисленные Si, Mn и Al –
наследственно мелкозернистые.
Зерно аустенита образуется при окончательном превращении П  А.
Начальная величина зерна аустенита зависит от количества зародышей,
возникающих в данном объеме в единицу времени, и скорости их роста. Чем
дисперснее были частицы цементита в перлите, тем мельче начальное зерно
аустенита. В начальный момент зарождения зерно аустенита очень мало, но с
увеличением выдержки, а тем более при дальнейшем повышении температуры
выше 727 0С, оно быстро растет.
На величину зерна аустенита оказывает влияние также скорость нагрева: с
повышением скорости нагрева величина зерна аустенита уменьшается. Это
связано с тем, что при больших скоростях нагрева скорость зарождения центров
аустенита опережает скорость роста кристаллов аустенита.
Обычно наследственно мелкозернистые стали обладают лучшими
технологическими свойствами и при термообработке менее чувствительны к
перегревам. Крупнозернистые стали обладают пониженными ударной вязкостью,
сопротивлением отрыву, повышенным температурным порогом хладноломкости.
В то же время, крупнозернистая сталь лучше обрабатывается резанием,
прокаливается, уменьшается сопротивление деформации при холодной
штамповке.
Неправильный режим нагрева может привести либо к перег
реву, либо к пережогу стали. Нагрев доэвтектоидных сталей значительно
выше температуры точки АС3 приводит к интенсивному росту зерен и к
выделению феррита при охлаждении стали в виде пластинчатых и игольчатых
кристаллов (перегрев). Такая структура называется видманштеттовой.
Структура такой стали может быть исправлена повторным нагревом до
оптимальной температуры.
Пережог стали наблюдается при нагреве ее до температур близких к
температуре солидус. При пережоге происходит окисление границ зерен (см.
первую слева анимацию выше), в результате чего прочность стали резко
снижается. Пережог является неисправимым браком (изделие можно только
заново переплавить в сталь).
Таким образом, от качества осуществления первого превращения при
термической обработке во многом зависит ее конечный результат.