Превращения в стали при охлаждении

Превращения в доэвтектоидной стали

Если сталь с содержанием углерода менее 0,8 % нагреть до аустенитного состояния и затем медленно охладить, то первой фазой, которая выделится, будет феррит. Это превращение происходит в результате смены атомной решетки с гранецентрированной у аустенита к объемноцентрированной у феррита. Поскольку феррит способен растворять только очень малое количество углерода, то концентрация углерода в остающемся аустените в ходе охлаждения будет увеличиваться до тех пор, пока при эвтектоидной температуре около 720 ºС весь оставшийся аустенит не превратится в перлит. Вид феррита, выделившегося по границам аустенитных зерен при охлаждении листа из стали 45, показан на рисунке 1. Эта сталь была нормализована путем нагрева до температуры 1095 ºС и охлаждения на воздухе.

1Рисунок 1 – Лист толщиной 3 мм из стали 45. Нормализация: нагрев до температуры 1095 ºС и охлаждение на воздухе. Структура состоит из перлита (серый) с сеткой феррита по границам зерен, а также нескольких пластин феррита.

Превращения в заэвтектоидной стали

Медленное охлаждение заэвтектоидной стали с содержанием углерода более 0,8 % аналогично охлаждению низкоуглеродистой стали, за исключением того, что первой фазой, которая  выделяется из аустенита является не феррит, а цементит. Цементит обычно формируется на границах аустенитных зерен и образует сетчатую структуру, которую можно видеть в стали при комнатной температуре после того как превращение закончится. На рисунке 2 виден цементит по границам аустенитных зерен в прутке конструкционной стали с содержанием углерода 1,0 % после горячей прокатки при температуре от 1175 до 925 ºС и охлаждения на воздухе. При в точности эвтектоидном составе аустенит превращается в перлит без образования как первичного феррита, так и первичного цементита.

2Рисунок 2 – Микроструктура стального прутка толщиной 125 мм из стали ШХ15, горячекатаного при температуре от 1175 до 925 ºС и охлажденного на воздухе. Цементит располагается по границам первичных аустенитных зерен. Внутренняя часть зерен – перлит.

Феррито-перлитная структура стали 45

Поскольку для формирования как феррита, так и цементита требуется диффузия углерода, то с увеличением скорости охлаждения толщина пластин феррита и цементита в перлите. Перлит в ферритной матрице стали 45 показан на рисунке 3. В общем случае при более высокой скорости охлаждения образуются более тонкие пластины, что, в свою очередь, повышает твердость и прочность стали.

3Рисунок 3 – Лист из стали 45 толщиной 3 мм, нормализованный путем нагрева до температуры 1050 ºС и охлаждения на воздухе. Структура состоит из перлита (темно-серый) и феррита (светлый).

Бейнитное превращение в стали

При более высокой скорости охлаждения, чем та, что достигается при охлаждении на воздухе есть возможность избежать превращения аустенита в феррит и перлит во многих углеродистых и низколегированных сталях. Превращение аустенита при температуре ниже 540 ºС, но выше примерно 200 ºС дает структуру, которая состоит их феррита и цементита, однако эти фазы не упорядочены в пластины. Вместо этого феррит и перлит имеют перистую или игольчатую, и ни один компонент микроструктуры нельзя рассмотреть в оптический микроскоп. Эта структура известна как бейнит.

Верхний и нижний бейнит

Когда превращение происходит где-то в интервале от 370 до 540 ºС, бейнитная структура  имеет перистый вид и называется верхним бейнитом. Когда превращение происходит при температурах в интервале примерно от 200 до 370 ºС, бейнит имеет более игольчатую структуру и называется нижним бейнитом. Твердость бейнита зависит от его структуры, но обычно находится в интервале от 45 до 60 HRC. Вид бейнита в стали 45, которую приводили в аустенитное состояние нагревом при 1205 ºС в течение 10 минут и затем выдерживали в течение 10 минут при температуре 340 ºС для частичного изотермического превращения показана на рисунке 4. После частичного изотермического превращения сталь охлаждали на воздухе до комнатной температуры.

4Рисунок 4 – Сталь 45 после нагрева до температуры 1205 ºС в течение 10 минут, охлаждения при температуре 340 ºС в течение 10 минут для частичного изотермического превращения и дальнейшего охлаждения на воздухе. Нижний бейнит (темный) в окружении мартенсита (белый).

Мартенситное превращение в стали

Превращения аустенита при более низких температурах, ниже 200 ºС приводит к образованию фазы железа с объемноцентрированной тетрагональной структурой, которую называют мартенситом. Обычно мартенсит присутствует в полностью упрочненных сталях. Микроструктурно мартенсит имеет игольчатый вид как показано на рисунке 5. Эта сталь была подвергнута нагреву до 850 ºС для получения твердого раствора углерода в аустените, закалке в воде и отпуску при температуре 230 ºС в течение 1 часа. Резкое охлаждение аустенита  подавляет формирование феррита, перлита и бейнита и обеспечивает полностью мартенситную структуру. Мартенсит занимает больший объем, чем аустенит. Поэтому образование мартенсита приводит к изменениям размеров, что может вызвать коробление изделия. В крайних случаях коробление может привести к растрескиванию изделий в ходе их закалки.

5Рисунок 5 – Сталь 35 аустенитизированная в течение 1 часа в течение 850 ºС и закаленная в воде. Отпуск при температуре 230 ºС в течение 1 часа. Структура отпущенного мартенсита.

Остаточный аустенит в мартенситной структуре

В некоторых случаях при резком охлаждении в ходе закалки стали не весь аустенит превращается в мартенсит. Когда это происходит, структура стали состоит из аустенита и игл мартенсита. Остаточный (непревращенный) аустенит является мягким и поэтому снижает твердость закаленной на мартенсит стали. Этот остаточный аустенит может позднее превратиться в мартенсит — при механической обработке или даже уже при эксплуатации. Расширение материала, которое происходит при мартенситном превращении, создает внутренние напряжения, которые могут привести к короблению изделия и потере допусков механически обработанного изделия. Этот неотпущенный мартенсит является хрупким и может приводить к образованию трещин в эксплуатации изделия. По этой причине присутствие остаточного аустенита в закаленном на мартенсит изделии обычно нежелательно.