Прокаливаемость сталей: влияние легирования

Известно, что активные легирующие элементы стали, такие как хром и молибден, образуют в ней карбиды. Это значит, что эти элементы будут стремиться войти в карбидную часть перлита и бейнита при их образовании из аустенита.

Диффузия углерода при распаде аустенита: от 0,8 % до 0,02 % и 6,7 %

Когда некоторый объем аустенита превращается в перлит или бейнит в обыкновенных углеродистых сталях, то атомы углерода должны перестраиваться из однородного распределения, которое они имеют в аустените. В уже превращенном из аустенита объеме может вообще не быть углерода (0,02 %) в ферритном участке и быть 6,7 % углерода в цементитном участке. Это перераспределение атомов происходит за счет диффузии.

Труднее диффузия – медленнее распад аустенита

Точно также при превращении аустенита легированной стали легирующие атомы, например, хрома и марганец, также должны перераспределиться из однородного распределения в аустените до высокого содержания в карбидах и низкого – в феррите. Однако диффузионное перераспределение для легирующих элементов намного труднее, для углерода. Дело в том, что у них коэффициент диффузии намного меньше, чем у углерода. Поэтому присутствие легирующих элементов в стали затрудняет образование перлита и бейнита. Соответственно кривые начала перлитного и бейнитного превращений на диаграммах превращения аустенита – изотермического и непрерывного – будут сдвигаться вправо, в более, так сказать, поздние времена.

Все легирующие добавки в стали, кроме кобальта, сдвигают кривые начала образования феррита, перлита и бейнита на диаграммах изотермического превращения вправо.

Влияние никеля на прокаливаемость стали

Однако известно, что, например, никель довольно таки неактивный элемент, а тоже замедляют скорость образования перлита и бейнита. В этом случае причина заключается во влиянии никеля на фазовую диаграмму. Просто это невозможно объяснить. Однако конечный результат легко запомнить: почти все легирующие элементы в стали замедляют распад аустенита с образованием феррита, перлита или бейнита.

Как хром замедляет превращение аустенита

На рисунке ниже показано сравнение диаграмм изотермического превращения аустенита для двух американских сталей — углеродистой стали 1060 и легированной стали 5160 (аналоги наших сталей 60Г и 50ХГА) – с различным содержанием хрома. Можно сказать, что сталь 5160 – это та же сталь 1060, но с добавлением 0,8 % хрома.

stal-1060stal-5160Рисунок – Диаграммы изотермического превращения для сталей 1060 и 5160.
Легирование стали 5160 хромом сдвигает нос кривых превращения вправо.
(А — аустенит, F — феррит, С — цементит)

Рисунок показывает, что такое малое содержание хрома оказывает значительное влияние на положение кривых начала превращения аустенита на диаграмме изотермического превращения. Даже при том, что размер зерна в стали 5160 оказался меньше, чем у стали 1060, нос диаграммы изотермического превращения у стали 5160 сдвинут вправо примерно на 5 секунд, а у стали 1060 – всего лишь на 0,5 секунд.

Влияние на прокаливаемость размера зерна стали

Влияние зерна на прокаливаемость стали связано с тем, что распад аустенита всегда начинается на границах его зерен. Площадь границ зерен, естественно, зависит от размера зерна. Большой размер зерен будет снижать общую величину площади границ зерен в единице объема. Это и приводит к сдвигу кривых начала превращения – увеличения задержки начала превращения – и, тем самым, повышает прокаливаемость стали. Именно поэтому положение кривых на диаграмме изотермического превращения зависит от размера зерна аустенита. По этой же причине на диаграммах изотермического превращения всегда указывают размер зерна аустенита.

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007