ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 10, с. 1052-1063
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.15-194.56:536.424
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ НА КОЛИЧЕСТВО ОСТАТОЧНОГО АУСТЕНИТА ПРИ БЕЙНИТНОМ ПРЕВРАЩЕНИИ
© 2014 г. В. М. Счастливцев, Ю. В. Калетина, Е. А. Фокина, А. Ю. Калетин
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
e-mail: kaletina@imp.uran.ru Поступила в редакцию 13.03.2014 г.
Представлен обзор результатов по влиянию режимов охлаждения и термообработки на количество остаточного аустенита и механические свойства промышленных сталей. Обсуждаются и анализируются возможные способы получения повышенного количества остаточного аустенита за счет эффекта стабилизации, бейнитного превращения и закалки из межкритического интервала температур.
Ключевые слова: остаточный аустенит, бейнитное превращение, бескарбидный бейнит, механические свойства.
DOI: 10.7868/S0015323014100143
ВВЕДЕНИЕ
Структура и свойства закаленной стали в значительной мере зависят от условий исходного нагрева при закалке — температуры и продолжительности выдержки, так как при этом изменяется величина аустенитных зерен, а также могут растворяться или выделяться специальные карбиды. Не менее важное значение имеет режим охлаждения, который оказывает большое влияние на количество остаточного аустенита, присутствующего в закаленной стали, так как в зависимости от скорости охлаждения в сталях может реализовы-ваться либо мартенситное (при быстром охлаждении), либо бейнитное превращение (при замедленном охлаждении или при изотермической выдержке). В обоих случаях превращение, как правило, не идет до конца, поэтому в структуре сталей сохраняется остаточный аустенит. Однако свойства и поведение остаточного аустенита при этом могут существенно различаться. Это связано с тем, что при обработке сталей на бейнитную структуру остаточный аустенит может в значительной степени обогащаться углеродом. Он будет иметь более низкую мартенситную точку, чем остаточный аустенит после закалки сталей на мартенсит.
Одной из причин увеличения количества остаточного аустенита является эффект стабилизации, связанный с замедленным охлаждением в том интервале температур, где происходит мар-тенситное превращение, например, от Мн до комнатной температуры. Эффекту тепловой стабилизации, приводящему к повышенному содержанию остаточного аустенита в стали после охлаждения до комнатной температуры, большое внимание уделял Садовский [1].
Другой причиной увеличения количества остаточного аустенита является замедленное охлаждение в интервале температур промежуточного или бейнитного превращения, которое сопровождается перераспределением углерода между выделяющейся а-фазой и аустенитом.
Кроме обычной закалки, получение большого количества остаточного аустенита возможно при повторной закалке стали из межкритического интервала температур. В сталях, легированных никелем или марганцем, нагрев в нижнюю часть межкритического интервала сопровождается образованием аустенита, который в этом случае обогащается не только углеродом, но также и легирующими элементами. Такая термообработка нашла практическое использование применительно к повышению прочностных свойств сталей для криогенной техники [2], для улучшения хладостойкости некоторых сталей. Это самостоятельный вопрос, и в настоящей работе на нем останавливаться не будем.
Все три способа термообработки, приводящие к получению повышенного содержания остаточного аустенита, применяются на практике. В настоящей работе остановимся на влиянии режимов охлаждения и термообработки на количество остаточного аустенита и механические свойства промышленных сталей за счет эффектов стабилизации и бейнитного превращения.
ТЕПЛОВАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ КАК СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ОСТАТОЧНОГО АУСТЕНИТА
Зависимость количества остаточного аустени-та от температуры закалочной среды для стали 30ХН3А представлена на рис. 1 [3]. Количество
Рис. 1. Влияние температуры закалочной среды на количество остаточного аустенита в стали 30ХН3А: 1 — после закалки; 2 — после закалки и последующего охлаждения в жидком азоте до —196°С.
остаточного аустенита в стали увеличивается при замедленном охлаждении в интервале температур 450—350°С (интервал бейнитного превращения) и 250—150°С (интервал мартенситного превращения). Об этом свидетельствуют многочисленные примеры диаграмм кинетики превращений переохлажденного аустенита [4, 5]. Необходимо отметить, что диаграммы превращения аустенита в этих работах представлены в различных координатах. В работе [4] они построены в координатах: "процент превращения—температура", а в работе [5] в более привычных координатах: "время-температура". Диаграмма превращения аустенита для стали типа 45ХН представлена на рис. 2 [4, стр. 41, рис. 18]. Она позволяет понять происхождение двух максимумов остаточного аустенита на рис. 1, кроме того, на ней видно начало зарождения двух типов бейнита: верхнего и нижнего.
Верхний кинетический максимум, располагающийся в районе 600°С, соответствует перлитному превращению, затем следует область относительной устойчивости аустенита (550-500°С), отделяющая перлитную ступень от ярко выраженной промежуточной (бейнитной) ступени, максимум скорости превращения которой для этой стали лежит в районе 300°С. Вблизи этой же температуре расположена мартенситная точка, ниже которой аустенит превращается в мартенсит. В верхней части мартенситного интервала, при задержке охла-
Распад аустенита, %
Рис. 2. Диаграмма кинетики превращений переохлажденного аустенита стали 45ХН после нагрева на 900°С. Цифры на кривых соответствуют времени изотермической выдержки в минутах.
ждения, сохраняется возможность изотермического превращения в бейнит — для той части аустенита, непревращенного в мартенсит, которая осталась при данной температуре (например, 250°С).
В верхней части бейнитного интервала (выше 300°С) превращение начинается сравнительно быстро, затем останавливается. Степень превращения до этой остановки тем выше, чем ниже температура. Характерно, что при охлаждении после частичного превращения в бейнитной ступени (например, при 400°С) мартенситное превращение для оставшейся части аустенита начинается при более низкой температуре, чем Мн для данной стали. Количество мартенсита, образующегося при достижении комнатной температуры, оказывается существенно меньшим. Этим объясняется происхождение высокотемпературного максимума остаточного аустенита на рис. 1. Закалка в средах с температурами ниже Мн (250, 220, 200°С), соответствует замедленному охлаждению в интервале развития мартенситного превращения. Это связано с проявлением эффекта тепловой стабилизации, чем обусловлен левый максимум остаточного аустенита. Разделяющий два максимума остаточного аустенита глубокий минимум отвечает температуре наиболее быстрого и полного бейнит-ного превращения. Его происхождение понятно: к
г, °с
Рис. 3. Диаграмма изотермического превращения аустенита в заэвтектоидной стали [8].
моменту окончательного охлаждения почти не остается аустенита. Такова схема превращений переохлажденного аустенита и зависимости количества остаточного аустенита от условий охлаждения, типичная для разных конструкционных легированных сталей.
Термическая стабилизация — сложный процесс, так как в разных температурных интервалах действуют различные механизмы стабилизации. В зависимости от химического состава сталей термическая стабилизация может быть обусловлена следующими причинами: наличием примесей внедрения, перераспределением атомов легирующих элементов с образованием областей ближнего порядка, процессами дисперсионного твердения, приводящими к выделению внутри твердого раствора различных дисперсных фаз [6]. В термическую стабилизацию при температурах ниже точки Мн определенный вклад может внести релаксация упругих напряжений в аустенитной матрице вокруг мартенситных пластин. Релаксация напряжений при остановке охлаждения обусловлена как микропластической деформацией с перераспределением дислокаций в конфигурации с меньшей энергией, так и некоторым перераспе-делением углерода. Возникающие при отжиге структурные неоднородности препятствуют перемещению дислокаций в аустените, и тем самым оказывают тормозящее влияние на мартенситное превращение. Однако имеющиеся данные о влиянии предварительного отжига аустенита на изотермическое и атермическое мартенситное превра-
щение противоречивы. В ряде работ было высказано мнение, что тепловая стабилизация аустенита проявляется только по отношению к изотермическому превращению, в то время как атермическое мартенситное превращение нечувствительно к отжигу аустенита или протекает более интенсивно. Вместе с тем было показано, что тепловая стабилизация может наблюдаться и в сплавах с атермиче-ской кинетикой мартенситного превращения [6].
ОСТАТОЧНЫЙ АУСТЕНИТ ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ БЕЙНИТНОМ ПРЕВРАЩЕНИИ
Остаточный аустенит в сталях при комнатной температуре может появляться в сталях в результате протекания неполного бейнитного превращения. Бейнитное или промежуточное превращение происходит в сталях, в зависимости от химического состава, как при непрерывном охлаждении, так и при изотермической выдержке в определенном интервале температур. Этот интервал располагается ниже температур диффузионного перлитного превращения, но выше температуры начала бездиффузионного мартенситного превращения. На диаграммах кинетики превращения переохлажденного аустенита для нескольких легированных сталей отчетливо видны три максимума для скорости превращения, которые относятся, соответственно, к образованию перлита, верхнего и нижнего бейнита [7], (см. также рис. 2). Такая картина наблюдается не только для легированных, но и для углеродистых сталей [8], для которых в справочниках часто приводят только одну С-образ-ную кривую. На самом деле она должна быть представлена тремя С-образными кривыми: для перлита и двух типов бейнита — верхнего и нижнего. Таким образом, диаграмма превращения переохлажденного аустенита принимает вид, схематически представленный на рис. 3.
Само по себе представление одной
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.