Влияние скорости охлаждения на превращение аустенита

В зависимости от скорости охлаждения превращение аустенита может быть диффузионным и бездиффузионным. Критерием превращения является критическая скорость закалки V_КР – наименьшая скорость охлаждения, при которой подавляется диффузия атомов углерода.

На критическую скорость закалки оказывает влияние содержание углерода (рис. 2.2), легирующих элементов и величины действительного зерна аустенита.

Требуемая скорость охлаждения обеспечивается подбором охлаждающей среды. На практике применяют для закалки воду, минеральные масла, водные растворы солей, щелочей.

Рис. 2.2. Критическая скорость закалки углеродистых сталей
в зависимости от содержания углерода

При скоростях охлаждения V < V_КР протекает диффузионный распад аустенита в феррит и цементит. В процессе превращения перестраивается кристаллическая решетка железа и происходит перераспределение углерода между фазами.

Такое превращение имеет место при отжиге, нормализации и менее распространённом виде термической обработки – закалке в масло. Ферритоцементитные смеси, полученные этими обработками, характеризуются «межпластинчатым» расстоянием h – суммарной толщиной одной пластинки феррита и одной пластинки цементита (рис. 2.3, а−в).

Рис. 2.3. Структуры и схемы структур эвтектоидной стали:
а – перлит пластинчатый; б – сорбит закалки; в – троостит закалки

Перлит пластинчатый – грубодисперсная ферритоцементитная смесь пластинчатой формы. Троостит закалки – весьма дисперсная ферритоцементитная смесь пластинчатой формы. Легко травится, за счет этого в оптическом микроскопе сложно уловить отдельные структурные составляющие. Сорбит закалки – более грубая ферритоцементитная смесь пластин­чатой формы. Под микроскопом при увеличении в 500 раз и более строение сорбита хорошо видно.

Ферритоцементитные смеси обеспечивают относительно невысокую твёрдость, возрастающую с уменьшением межпластинчатого расстояния: перлит пластинчатый – НRС 10, сорбит закалки – НRС 30, троостит закалки – НRС 40.

При скоростях охлаждения V > V_КР, например, при закалке в воде протекает бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит, т. е. кристаллическая решетка γ -Fe перестраивается α -Fe без выделения углерода из твёрдого раствора. В равновесном состоянии α -Fe растворяется всего лишь 0,006 % углерода, а в любой стали его значительно больше, отсюда следует, что мартенсит – пересыщенный раствор углерода α -Fe. Пресыщенность решетки железа углеродом создаёт внутренние напряжения, что приводит к существенному упрочнению стали. Но при этом сталь становится менее вязкой.

Рис. 2.2. Структура мартенсита, х 1000

Мартенсит закалённой стали состоит из кристаллов игольчатой формы и характеризуется структурным параметром – длиной игл L (рис. 2.2). Твердость этой структуры зависит от содержания углерода.