автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Металловедческие аспекты закалки с ускоренным нагревом конструкционных сталей без специальных модифицирующих добавок

Российская академия наук Уральское отд91вние Ордена Трудового Красного' Знамени Институт физики металлов

На правах рукописи

МОРОЗОВ Олег Павлович

МЕТАЛЛОВЕДЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЗАКАЛКИ С УСКОРЕННЫМ НАГРЕВОМ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ БЕЗ СПЕЦИАЛЬНЫХ МОДИФИЦИРУЩИХ ДОБАВОК

05.16.01 - Металловедение п термическая обработка металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук /

[^П

Екатеринбург - 1992

I

• 1М

Работа выполнена ь Челябинском государственном техническом униьарситетэ.

Официальные оппоненты:

доктор фиа.-мат. наук Зельдович Б.И.

доктор технических наук Ошкадеров С. 11.

доктор технических наук • Клейнер Л.Ы.

Ведущая организация - Свердловский научно-исследовательский тохнолл'ический институт.

Ыащита состоится _"__1992 г. в_часов

на заседании Специализированного совета Л 002.03.01 при Институте физики металлов УрО РАН /(¡20219, г.Екатеринбург, Ш1-370, ул. С.Ковалевской, 10/. -

Автореферат разослан "__"__1992 г,

и диссертацией можно ознакомиться в библиотеке нногдтута.

Учений секретарь Специализированного советя ,■'}., . дсктор физ.-мат, наук (: > ■' О.Д.Шашков

-Л: Л.,

• ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из основных задач современного металловедения являе.ся создание научных основ эффективных ресурсосберегающих способов повышения механических и служебных свойств конструкционных стачай. Повышение конструктивной прочности стогн за счет одновременною повышения свойств прочности п пластичности достигается путем измельчения аустенитного горна. В настоящее время широкое применение получила скоростная индукционная закалка, разработаны ее научнее и тзхнологдческне основы. Однако, в производственных условиях наибольсий объем металла обрабатывается с использованием печного и друга* способов нагрева с относительно низкага скоростями. Увеличила скорости нагрева уже до относительно невысоких значений порядка 0,5 - 5 °С/с, которые могут быть реализованы при усксршиом нагреве в печи деталей относительно небольшого сечения, приводит к существенному измельчению аустенитного ззрча. 11ибч?ся рэзэрп повышения качества металла. Проблема закличьотся в разработке оптимальных ролпмов аустинкзацик, обеспечгш&зглх ив только ко-' лучение мелкого начального зерна, ко а сохралендэ его т/^к.^л при последующей необходимой вздсгуко, а так??,' трьб/виуй ур-л:-. .иь прокаливаемости стали. Целью ьрстояэд". r-7.fr/?-; чъяяяааъ р'-зр,^-ботка научных основ закалю! с ускоренным :::.:-;>?г;л--. Б задачи работы входило:

1. Создашь лабогаторлол установки к котодлкж кс'лпгвкгрч.т исследований структурной лорзкртетзллкзацип ир^ нагреве я критики лрэв.'-еденлй гозраохагг.цэяного аустагата.

2. ¡¡селздовакло осгебзгшост--).'! формирования нелкоге ззрна «уе-тснита при проар.?.1..с'!!-л: л ого при псследуще^ г-чсо:— як9 и зав!гс;г:сстл от лоходлол гсткр^струхлури сгслтх я сиоросгк нагрева,

3. Уточнение кинетических структурных осоС?>;;:с;стой превращения аустенита в соответствии с емоез^млся не к г та ДаННЫМИ.

4. Изучение устойчивости переохлажденного аустекята поело ускоренных режимов аустенизации.

Научную новизну| работы составляют:

1. Методические разработки исследований образования аусте -нита при нагреве и кинетики превращения переохлажденного аус-

3

£: .

тенита* »_.''

2. Результаты систематического исследования влияния исходной микроструктуры стали и скорости нагрева на начальный размер зерна аустенита, формирующийся при сСГ- перекристаллизации.

Показано, что Наиболее сильное влияние исходной микроструктуры стали на начальный размер зерна аустенита прояьляэтся в случаэ ускоренного нагрева со скоростями порядка 0,5 - 5 °С/с, Наиоольшее измельчение зерна достигается при исходных дисперсных структурах смешанного типа с максимальной удельной площадью границ раздела структурных составляющих. Установлено, что предварительный отпуск стали в температурном интервале развития обратимой отпускной хрупкости влияет на образование аустенита при последующем ускоренном нагреве,

3. Результаты исследования влияния исходной микроструктура стали и скорости нагрева на устойчивость образующегося мелкого зерна аустенита.

Обнаружено, что при нагрево со скоростями выше некоторого граничного значения образующийся мелкозернистый аустенит имеет аномально низкую устойчивость, причина которой связывается с развитием первичной бесцентровой рекристаллизации, вызванной фазовым наклепом. Доказано существование устойчивого против собирательной рекристаллизации определенного распределения зерен по размеру.

4. Новые представления о кинетических и структурных особенностях превращения переохлажденного аустенита сталей

Доказано существование трех бейнитных превращений. Выявлены условия образования низкотемпературного перлита. Развита гипотеза связи четырех кинетических типов у-ы превращения ъ железе с превращениями аустенита в оталяу.

5. Теория кинетики образования бейнита, учитывающая структурные особенности зарождения и роста, размер зерна аустенита. Предсказаны " зависимости инкубационного периода образования бейнита от размера зерна аустенита.

6. Эффект влияния скорости охлаждения, величиной больше верхней критической скорости закалки, от температуры аустени-задии до температуры выдержки в субкритической области на кинетику изотермического превращения аустенита. Зависимость верхней критической скорости закалки, определяемой кинетикой про -

4

межуточного превращения, от кцнетики подготовительных процессов в феррито-перлитнсй области.

7. Результаты исследования кинетики превращения аустенита после ускоренных режимов аустенизации.

Обнаружено влияние фазового наклепа на кинетику превращений переохлажденного аустенита. Установлена связь между структурным механизмом образования аустенита при нагреве и кинетикой ого преобладания после ускоренной аустенизации.

Научная и практическая значимость результатов. Полученные новые данные являются вкладом в теории образования аустенита при нагреве и его превращения при переохлаждении. Предлагаемая трактовка превращений аустенита сталей, которая более полно объясняет- существующие экспериментальные данные, мояет служить основой общей теории распада переохлажденного аустенита. Сделанное обобщение данных о измельчении зерна при нагреве и превращении мелкозернистого аустенита при охлаждении является научной базой разработки технологических режимов закалки с ускоренным нагревом, чмеюцих целью повышение качества металла за счет измельчения аустенитного зерна и производительности труда за счет интенсификации процесса. Таким образом,рзшвна шстуапьная научная проблема, имеющая валшое народно-хозяйственчоо значение. Закалка с ускоренным нагревом мокэт широко внедряться в производство на существу ¡одах марках стали и действующем ш.ч несколько модернизированном оборудовании. Автор в качества ответственного исполнителя и руководителя хоздоговорных работ участвовал в разработке режимов закалки с ускоренным нагревом рягтд спепста-лей на предприятиях п/я А-1575, В-2575, В-8402 /годовой экономический эффект составил 428,5 тыс. рублей/.

Апроошцш работы. Основные результата работы изложены и обсуждены на девяти научных конференциях и семинарах. По материалам диссертации опубликовано 43 печатных работы.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, земи глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации: 296 страниц текста, 169 рисунков, 33 таблиц, список лйтзратуры - 434 источника. В приложении представлены акты внедрения.

Порядок и наименование глав следующие:

Введение.

1. Состояние вопроса. Постановка задач исследования.

2. Методика исследования.

3. Размер зерна аустенита, формирующийся при ¿-»у превращении в зависимости от исходной микроструктуры стали н скорости нагрова,

4.Устойчивость против роста мелкого зерна аустенита, формирующегося в результата структурной перекристаллизации при ¿-f превращении.

5. Уточнение кинетических и структурных особенностей превращения переохлажденного аустенита сталей.

6. Кинетика превращения переохлажденного аустенита в зависимости от температуры аустенизации, режима охлаждения и размера верна аустенита.

7. Устойчивость переохлавденного аустенита после ускоренных режимов аустенизации.

Заключение.

Список литературы.

Приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Краткие сведения о методике лсследования

Созданная лабораторная установка имеет возможности: осу -ществлять алектронагрвв образцов с любой заданной скоростью в диаповоне от 0,01 до 300 °С/о /скорость нагрева воспроизводится от образца к обраацу с относительной погрешностью не больше 3% /; вытравливать зерно аустенита и структуру после частичного «¿-»т превращения окислительным травлением; охладцать образцы до заданной температуры выдержки в широком диапозоне скоростей вплоть до -3000 °С/о, а в условиях непрерывного ох-лавдения наибольшая скорость достигает сверхвысоких значений порядка 300000 °С/с; позволяет непрерывно регистрировать температуру, намагниченность и электросопротивление образца. Проведена оценка систематических погрешностей измерения температуры поверхности образца используемыми термопарами, стабиль- , ность градуировки термопары. Обоснована малоннерционность алла-, ратуры и точность измерения температуры начала превращения прп охлаждении со сверхвысокими скоростями. Рассмотрены методы защиты образцов от обезуглероживания при нагреве, влияние повер-

. 6

хностн образца на кинетику превращений. Оценена надежность измерений.

Особенности формирования мелкого зерна аустенита при ускоренном нагреве

Исследования проведены на промышленных конструкционных сталях 27СхМ, ЗОХГС, 40ХНМ с разнообразна чга исходными микроструктурами /мартенсит, бейнпт, феррит и перллт, структуры отпуска и смесь разных структурных составляющих/. Скорости нагрева варьировали от 0,1 до 200 °С/с.

Показано, что в вопросе получения мелкого зерна аустени -та посредством «¿-»У -перекристаллизации следует различать случаи быстрого и ускоренного нагревов. Имеется различие в связи исходной микроструктуры стали и размера аустенктного зерна, формирующегося при нагреве. Так, при быстром нагреве со скоростями условно выше ~ 40 °С/с для паиболькэго игмельчення зерна при <L-+S -перекристаллизашти сталь должна тзть исход-нуп дисперсную структур!', боз относительно крупних участков феррита , и достигав ый результат практически по зависит от конкретного ее типа. Някянпо походной микроструктуры нзябол^п существенно в случае невысоких скоростей порадка 0,5-5 °С/о. Поиск oí. ¡шального структурного состояния привел к результату, согласно которому при скоростях-0,5-5 °С/с наибольшее измельчение. зерна достигается при исходных скэашпюх структурах, со-держащи" продукты превращения аустеннта в феррито-пеплитноЛ, бейнитной и мартенситной областях. Оптимальной начнется не ка-• кая-то конкретная, а та из набора структур, которая характеризуется наибольшей удельной площадью границ раздела структурных составляющих. Результат объясняется предпочтительным зарождением аустенита на границах разного типа. При повторении циклов перекристаллизации влияние исходной микроструктуры такое жэ , как и при однократном нагреве. Установлено, что существует некоторый интервал скоростей охлаждения,'величиной меньше верхней критической скорости закалки, способствующих наибольшему измельчению зерна аустенита при циклической обработке. Показано, что при ускоренном нагреве со скоростями«»0,5 - 5 °С/с путем выбора оптимальной исходной микроструктуры стали можно добиться измельчения зерна аустенита до уровня сравнимого с достигаемым при скоростном нагреве токами высокой частоты.'

7

Обнаружено, что предварительный отпуск закаленной стали на обратимую хрупкость оказывает влияние на образование аусте-нита 1ри последующем ускоренном нагреве. Затрудняется образование зародышей аустенита на границах исходных зэрен, что в условиях непрерывного нагрева проявляется в повышении температуры начала <£-»■у превращения в приграничных объемах и увеличении размера эер"а образующегося аустенита. Предварительные обработки стали, усиливающие развитие обратимой отпускной хрупкости, способствуют получению более крупного аустенитного зерна при последующем нагреве. При обратимом изменении состояния охрупчивания размер начального зерна аустенита изменяется также обратимо. Это влияние предварительного отпуска не проявляется при уменьшении скорости нагрева до 0,5 °С/с и ниже и при высоких скоростях, когда .влияние исходной микроструктуры вообще опаблено.

Устойчивость против роста мелкого зерна аустенита, формирующегося в результате структурной перекристаллизации

Для сталей без специальных модифицирующих добаЕок актуален вопрос устойчивости мелкого зерна аустенлта. В литературе нет подробных данных о кинетических и структурных особенностях роста зерна аустенита непосредственно после завершения «¿*1-пе-рекристаллиоации.

Показано, что условия по. учения мелкого зерна аустенита наиболее значительно влияют на кинетику его последующего роста в начальный относительно короткий период выдержки продохстельностью до~3 - 10 мин. Начальная скорость роста может быть настолько велика, что определяет размер конечного герна, формирующегося даже при продолжительной выдержке.Обнаружено существование узкого интервала скоростей нагрева или с некоторым приближением можно говорить о граничной, критической, скорости , при превышении которой резко уменьшается устойчивость мелкого зерна, формирующегося при нагреве /рис.1/. Величина граничной скорости увеличивается с понижением температуры выдержки. Если она становится выше наибольшей используемой скорости нагрева,• то аномалт шй рост зерна не проявляется. В случае нагрева со скоростями величиной меньше граничной развивается собирательная рекристаллизация, а также при наличии частиц цементита, сдерживающих собирательный рост, в период их дорастворения при

8

а,у м ■ ($ л? а О-Х-р'-ЬТП

Рис.1. Рост зерна аустеннта стали 27СВ1 прл 950 °С в зависимости от скорости нагрева до тшаюратурц вцдврдки. Исходная структура стали сорбит отпусхш /683 °С, 8 ч/„ Шифрами у крутых указано преет отглгга в минутах.

вццерлко наблюдается рост зорна по иоханишу вторичной рекристаллизации. В случае нагрева со скоростями еышэ граничной действует дополнительный фактор, который вызывает быстрый избирательный рост отдельных зерен, имеются признаки движения границы в направлении от центра кривизны, то ость под действием разности объемной энергии.Предполагается развитие бесцентровой первичной рекристаллизации, вызванной фазовым наклепом. .Согласно при-нягой трактовке год граничной, критической, скоростью наг{юва следуе понимать минимальную скорость, при которой образующийся аустенит имеет степень фазового наклепа достаточную душ рнз-

9

вития первичной бесцентровой рекристаллизации при заданных тем -пературе и продолжительности выдержки. Устойчивое мелкое зерно может быть получено при нагреве только со скоростями нижа критической.

Склонность к собирательной рекристаллизации определяют начальные распределения зерен по форме и размеру, но так как эти распределения взаимосвязаны, то при анализе роста зерна достаточно использовать распределение зерен только по размеру. Были обобщены даннгв более чем 5ООО замеров для аустенита сталей и феррита железа. Устьловлено, что собирательный рост зерна прекращается, когда распределение диаметров зерен становится логарифмическим нормальным с определенной дисперсией 0,0116. Этот результат дополняет известный критерий,-согласно которому в состоянии завершенной собирательной ; экристаллизации усредненный кристаллит по своим параметрам близок к правильному многограннику - кубическому октаэдру. Следует подчеркнуть, что речь вдет о прекращении роста раньше, чем достигается предельный размер, определяемый блокирующим действием частиц примесных фаз.

Склонность к собирательному росту зерна возрастаем о увеличением отклонения начального распределения от устойчивого. Эта связь отражается соотношениями:

(1)

МИН' (2)

где с1н- дивметр наибольшего зерна в начальной структуре, и с/^-средние диаметры зерна, соответственно, начальный и конечный, который достигается по завершению собиратель! Й рекристаллизации, у8 - объемная доля зерен размером больше <^/4,44 в начальной поликристаллической структуре, )/„ - начальная скорость собирательного роста зерна, \(/ - параметр зависящий от температуры. По начальному распределению зерен по размеру можно рассчитать средний размер конечного зерна, который формируется при развитии только собирательной рекристаллизации, и начальную скорость процесса.

Скоростной нагрев часто используется для достижения н;аи-большего измельчения зерна аустенита за счет <кг*Т -перекристаллизации, например, при закалке ТВЧ. Нужно помнить, что это

10

воздействие скоростного нагрева относится только к размеру начального /первичного/ зорна. Для размера же конечного зерна, который достигается при выдержке, даже кратковременной « 10 мин а меньше, результат может быть противоположным, так что в случае ускоренного нагрева и даже медленного печного нагрева можно получить значительно более мелкое конечное зерно. Скоростной нагрев с выдержкой следует рекомендовать для выращивания крупного зерна /см.рис.1/. Можно значительно увеличить устойчивость мелкого зерна при температурах существенно выше Асд , используя ступенчатый режим пагроаа, при котором делается предварительная выдержка определенной продолжительности при температуре ниже заданной / в нижней части аустенитного интервала/, для которой используемая скорость нагрева ниже критической. При этом устраняется начальная стадия аномально ' быстрого роста зерна, но незначительно изменяется кинетика установившегося роста. Эффект: аность ступенчатой аустениэаыии. увеличивается с повышением скорости и температуры окончательного нагрева.

Уточнение кинетических и структурных особенностей превращения переохлажденного аустенита сталей

В ресении вопроса прохаитаемости мелкозернистой стали, трудности связаны о наличием в литературе дашшх о превращении аустенита, которые не укладываются а рз»яа суиуготеующрх представлений. Это два кинетических максимума образозаняя бей-нита и низкотемпературное перлитное прззращэкиэ. В свяги с этил были проведены г. „'слодованля, напровяенннэ на уточнение кинетических и структурных особенностей превращения аустени- -та. Использовали вксокиэ скорости охлаждения до тг*«зерат>рн иготермичзской выдержки величиной до 3000 °С/с, что сделало возможны?.» детальное исследовщшэ кинотшш превращения аустенита в углеродистых и низколегированных сталях. Узкий пат в 10 - 15 °С варьирования температура превращения позволил достаточно точно выявить форлу кинетических диаграмм. Учитывали, что мартенситному превращению в сталях но!ут соответствовать две ступени - изотермическая, то есть'переохлаждаемая высокой скоростью, и атермическая - непероохлаадаемая. В связи о эткм, мартенситные точки измеряли при охлаждении со скорость!) 20003000 °С/о и при сверхвысоких порядка 300000 °С/о,.когда с га-

11

рантией реализуется атермическая ступень.

Иреобразование диаграмм изотермического превращения аус-тенита и структурных форы продуктов при последовательном увеличении концентрации углерода изучено в чистых углеродистых сталях, содержащих 0,31 , 0,49 , 0,81 , 1,51 5Й, и легированных одним процентом хрома с концентрацией углерода 0,37 , 0,46, 0,61 , 0,70 , 0,79 %.

' Во всех исследованных сталях реализуется атермичеи.шя мартенситная ступень /обозначили Х2/. В сталях 30 и 37Х над мартенситным интервалом выявляется три С-диаграммы, которые характер"чуют кинетику н чала J"-»<JL превращения: X - выделение избыточного феррита, Ц и Ш - промежуточные превращения /рис. 2-4/. С увеличением содержания углерода интенсивнее замедляется и понижается температурный интервал превращения Ш , -чем I и П. так что в сталях эвтектоидного и заэвтектоидноги составов в температурной области ниже температуры максимума скорости перлитного' превращения выявляются С-диагроАслы 1 и В. При этом превращение J по микроструктурному признаку типичное бей-нитное, но следует предположить,, что оно связано с реакцией выделения избыточного феррита-.и отличается по механизму от 6eL-нитного превращения П. Это предположение экспериментально подтвердилось.

Б сталях У8 и У15 между областями верхнего / 1 / и нижнего / 0 / бейнита выявлена область образования перлита. Так что при последовательном понижении температуры превращения от критической точки А^ до мартенситного интервала наблюдается - следующая последовательность смены структурных форм продуктов: перлит, бейнит, вновь перлит ц бейнит. Поверхностный рельеф сдвиговой деформяции дают только бейнитные превращения £ и П. а после низкотемпературного перлитного превращения рельеф но • образуется. Указанную последовательность смены превращений г, . углеродистых аазвтектоидных сталях обнаружили еще в 1937 гогу Стрегулин и Кошш. Ставилась цель выяснить; является ли низкотемпературная пбрлитная область продолжением высокотемпературной или'это самостоятельное поевращоние.

Изучили влияние температуры аустенизации на кинетику превращений аустенита в стали У8 /рис.5/. Показано, что в данном случае изменение кинетики превращений обусловлено влиянием только размера ауотеиитного верна. При повышении температуры здсте-

12

т ыш

530 1:!9

№ -Л—

Й

1-д-5С:

- ко н*ц —

2

503 «7

230

г -- к 1

«./ ' Р'^ЧУСО««!

Г ПГ"!

-3

I 2 3 5 »

59 т

N00 8р*ня, с

Рио.2. Диаграммы изотермического превращения аустенита сталей; а,б,в - 30, 50, У8/ауотенизация 900 °С, 2мин/,г- У15 /1050 °С, 2 мин/. * - начало / 3* /,»- точки, соответствующие перегибам на кинетических кривых превращения* 13

50 т

Время, с

1'ио.З. Диаграммы изотермического превращения аустенита сталей: /а- 1ЙЗг + 0,375й3 ,6-1ЙЙ + 0,4620/. Начало превращения соответствует 5% продуктов:« , а -по данным магнитометрического и микроструктурного анализов, соответственно; я - точки, соответствующие перегибай на кинетических кривых превращения. Реяш окончательной аустенизации - 1000 °С, 2 мин. Скорость охлаждения до температуры выдержки 2000 °С/с. I - диаграмма начала выделения феррита, Ц и Щ - промер точного, Н-изотермического мартенситного, Пр - перлитного превращения.

500 100 300

3;

■zS. - __

-J nfy -Г * Л> (

—лсР/> чонсц

г--»--—

Мы В,. «/

- —d—3

5 Ю ■ : 50 100 500

Время, с

Рис.4. Диаграммы изотермического превращения ауотенита сталой / а- 1%г + 0,61^0 , б- liOi + 0.7056С/. Пояснения на рис.3.

ниэации /укрупнении зерна/ инкубационный период превращения Ц не изменяется, превращение I замедляется как и перлитное, но . менее интенсивно. В результате после аустенизации при 1100 °0 /размер зерна 115 мнм/ низкотемпературный перлит не образуется, перлитное маскируется более быстрым бейнитнкм прев] шлонием.

1.S

Нике 520 °С образуется предпочтительно бейнит. Именно этот результат общепринят, так как при обычно используемом охлаждении образцов в изотермических ваннах,с относительно невысокой скоростью охлаждения, дая переохлаждения аустонита ниже температуря максимума скорости перлитного превращения используют именно высокие температуры пустенизашш «1100 - 1200 °С. Но, осли понизить температуру ауствиизации /измельчить зерно/ появляется низкотемпературная перлитная область и она тем шире, чам меньше размер зерна /см,рис.5/. При достаточно мелком зорне размером порядка 10 мкм во всей субкритической температурной области перлитное превращение развивается наиболее быстро, так что выявляется полная С-диаграмма, единая для высоко- и низкотемпературного перлита. По кинетике образования, микроструктуре продуктов, фазовому составу, крпсталлогеометрическим соотношениям феррита и цементита имеется только одно перлитное превращение, lía единую С-диаграклУ перлитного превращения, которая распространяется на всю суб"октичве:;уи температурную область от точки А^ до мартенситного интервала, накладываются две (¡-диаграммы бойнитных превращений I и ¡¡* Будет образовываться низкотемпературный перлит или нет-зависит от соотношения кинетики этих превращений. Обоснована возможность реализаци . диффузионного превращения при относительно низких температурах, вблизи мартенситного интервала. В теле зерна может развиваться мартен-ситное превращение и одновременно диффузионное на границах, где энергия активации диффузии атомов железг приблизительно в два раза меньше, чем в объеме. Легарованиь хромом в количестве 1% и молибденом - 0,5% резко тормозит перлитное превращение t области ьизких температур так, что низкотемпературная перлитная область не выявляется.

Подробно проанализировано отличие реакций образования верхнего / 1 / и нижнего / П / бейнита. Установлено, что в стали У8 верхняя температурная граница С-диаграммы 1 экстраполируется к критической точке А^ g и в области выше 530 °С микроструктура продуктов непрерывно'преобразуется от типичной для бейнита до выделений феррита, часто в форме видманштетта, при 680 °С. Подчеркнем, что сталь имеет эвтектоидный состав и при темпера-' уре чуть ниже Л^ образуется только перлит. Такие же структурные изменения продуктов превращения £ наблюдаются в доэвтекто-идных сталях. Примечательно, что в стали 61Х /см.рис.4а/ кине-

16

TOS

^500

<

£ ^

tjj £

П?\ — — а)

Л КО) ец

* р

•Ъ ■1_

N 1 о— 1 и *

ICQ

500

к

11р. —e- 5)

г* 9- к •М г Н!Ц

с Tf Л - < ■

1 1 %

Л _1— и - г-

700 500 300

ri Ö 1

■S 1-J— — онвц

т I,__

1 Л" \

/7* >т-- — ff, 1 —о ■

>' ----- * " " tvu

Время, с

1!ио.5. Диаграммы изотермического превращения аустечита стали У8 для разных температур аустеннзации: а - 750 °С /выдержка 10 мин/, размер зерна аустенита • 20 мкм; б - 900 ÜC /2 м. л/, 38 мкм; в - 1100 °С/ 4 мин/ 115 мкм. Обозначения см. на рио.З.

17 •

тическая С-диаграмма превращения Т выявляется одновременно вы -ша и ниже С-диаграммы перлитного превращения..Также при понижении температуры ниже А3 наблюдается непрерывное преобразование микроструктуры продуктов от выделений избыточного феррита до типичной бейнитной, при температурах ниже "носа" перлитной С-диаграммы образуется бейнит. Доказано, что в стали эвтектоид-ного состава реакция•образования верхнего бейнита / I / связана происхождением с реакцией выделения избыточного феррита. Структурные исследования и литературные данные свидетельствуют, что в результате наложения и взаимодействия друг с другом ве-дуа;ой реакции выделения ыз аустеннта сдвиговым механизмом феррита /видманштетта/ ц вторичной аустенито-цементитной реакции может образоваться типичный бейнит. Такой механизм образования бейнита предложен еще 1Удремоном. Отличив в том, что бейнитное I нельзя считать промежуточным. Это превращение диффузионное. Выявлены отличия кинетических параметров верхнего /диффузионного, I / и нижнего /промежуточного, П / бейнитных по микроструктурному признаку преврацаний в стали У8. Эти превращения отличаются по кинетике и механизму роста /рис.6а/. Энергия активации роста верхнего бейнита приблизительно в два раза меньше, чем нижнего. Различие величин энергии активации роста сопоставляется с различиями микроструктуры продуктов. Результат становится понятным, если принять, что при росте кристаллитов бейнита X углерод отводится от.торца ферритного кристаллита к карбидным частицам, расположенным на границах между параллельными ферритньми фрагментам, то есть скорость процесса определяется граничной диффузией углерода с относительно низкой величиной энергии активации. В кристаллитах бейнита Ц карбиды выделяются внутри фрашентов -фазы и энергия активации роста близка по величина к ее значению для объемной диффузии атомов углерода в феррите и в аустените, с учетом дрейфа атомов углерода в поле упругих напряжений. При увеличении концентрации углерода от 0,81 до 0,93 значительно замедляется рост кристаллитов бейишта П и несущественно - I /см.рис.6а/. Результат согласуется с представлением, согласно которому при промежуточном превращении / Ц / первоначально образуется пересыщенная углеродом £ -фаза, а при диффузионном / 1 / - безуглеродистая. Эти превращения отличаются и по зарождению. Так, бейнит 1 зарождается предпочтительно на границах ауст'енитных зерен, а бей-

18

500 400 300 аС

3

■з

ю

I

"X л«

ъ >

\

Ц 1.6

цс

4оо ^©^

300 у^7

о 20 40 60 80

Рис.6. Кин01ика зарождения и роста бейнита I и Д в углеродистых сталях:

а - скорость роста /^ /, мм/с; б - скорость зарождения / 3 /, мм~3с , • ,* - соответственно для бейнита I и Д в стали УЗ;о и к - собственные и литературные цанныч для стали УЭ.

кит И - е объеме. Имеются различия по кинетике образования зародышей /рис.66/. Энергия активации зарождения бойнита 1 близка к энергии активации граничной ди^узии атомов железа. Значения энергий активации зарождения и роста согласуются с теорией Гар-куши-Любова реакции выделения избыточного феррита, по которой рост зародыша феррита вначале до некоторого размера определяется кинетикой граничной диффузии атомов железа, а в дальнейшем-диффузиой углерода. Однозначно отделить диффузионные прекращения от промежуточных можно путем легирования карбидообразующи-ми элементами. Исследовано влияние хрома и молибдена. При легировании карбидообразующими элементами температурная область бейнитного превращения I вместе с перлитной смещается вверх по температуре. При 3$0г перлитное и бейнитное I отделяются от промежуточного превращения Й областью относительной устойчивости /рис.7/. Соответственно, при температурах нижней части диффузионного интервала , над областью относительной устойчивости аустенита, выделяется бейнит /X /, имеющий характерную оптическую и элэктронно-микроскопическую структуру, отличную от перлита и бейнита Д, превращение на предварительно полированной поверхности создает характерный рельеф сдвиговой дефошации, границы зерен являются барьерами росту кристаллитов бейнита 1.

Доказано, что существует бейнитное диффузионное превращение / 1 / и его следует отличать от бейнитных промежуточных превращений /Д,Щ/. Термины бейнитное и промежуточное превращение не являются эквивалентными. Из полученных данных вытекают следующие основные свойства бейнитного превращения 1..

Бейнитное по микроструктурному признаку превращение 1, сдвиговое по механизму -перехода является одновременно диффузионным, при котором сС -фаза образуется по механизму выделения видалнгатеттового феррита вдоэвтектоидных сталях. Превращение начинается с образования зародышей безуглеродистой ¿-фазы на границах аустенитного зерна. Энергия активации зарождения совпадает по величине с энергией активации граничной диффузии атомов железа, а рост кристаллов относительно крупных размеров, доступных наблюдению в оптический микроскоп, контролируется другим процессом - диффузией углерода. Превращение I обозначает, одновременно, и реакцию выделения избыточного феррита и образование на основе этой реакции бейнита. Бейкитная струк- • тура формируется в результате наложения и взаимодействия друг

20

5о

т

Пр, а)

/ ч С ко нец

41 »

г Г"

Л Ё / ч

г» К

600

Ц)0

200

• =1 — ^

ПрЛ в)

•1 Т * -4-

гЧ.

Ли ^—« ___

0,5 1 3 5 /0 30 50 100 300 1000

Время, с

Рис.7. Диаграммы изотермического- превращения аустенита сталей: а - 0,81/50; б- 0,795Й + О.ЭбЙОе. ; в - 0,30^ + 2,7бЯ0г.

с другом ведущей реакции выделения избыточного феррита и вторичной аустонито-цементитной реакции. Температурная область образования бейнита 1 распространяется выше термодинамической температуры Т0. Кинетическая С-диаграмма 1 имеет верхней границей ?очку А3 в доэвтектоидных сталях или ее экстраполированное значение в сталях заэвтектоидкого состава, в которых она по кинетическим условиям может выявляться в температурной области ниже температуры максимума скорости перлитного превращения. В сталях с разделенными по температуре областями диффузионных и промежуточных превращений бейнит'1 может образоваться при температурах нижней части диффузионной области над областью относительной устойчивости аустенита. Показано, что не во всех сталях образуется бейнит Для его формирования кроме термодинамического стимула необходимо выполнение еще кинетического, условия, согласно которому иусте'нито-цементитная реакция должна начаться раньше завершения"реакции выделения избыточного феррита, точнее на начальной стадии выделения «¿-фазы.

Особенности промежуточных превращений Ц и 2 изучили в 'легированных сталях, с четко разделенными областями диффузионных и промежуточных превращений/в лабораторных сталях с 0,23 , 0,40 , 0,44 , 0,72 $3, легированных 3#0г , и в промышленной стали 40ХШ/. Установлено, что Два кинетически? максимума промежуточного превращения /рис.8/ обусловлены существованием ■ двух кинетических максимумов скорости зарожден;« /рис.9а/ , а по генетике /механизму/ роста /рис.96/ и микроструктура продуктов они не различимы. Значения энергий активащш зарождения и роста близки по величине друг к другу и к ¡¿¡¡ерши активации объшной диффузии углерода е феррите и аустенню, с учетом дрей^ атомов углерода в поле упругих напряжений.

Развивается гипотеза, согласно которой четыре кинетические ступени У"А превращения, которые выявляются на тешшра-турно-скоростной зависимости начала полиморфного превращения в железа / Т. П. Ш. Ш, рис.10/, наследуются сталями. Наличие углерода ь сталях вносит свои специфические особенности в механизм этих превращений и структуру продуктов, а также в сталях [азьивгдггси дополнительно другие превращения, обусловленный существованием карбидной фазы /пар.йитноь, выделение избыточного побила/. Превращение % ь железе имеет верхней температурной границей критическую точку Аа и переходит в стали в

---- (Жх^¡Щ

Ц5 I

го 40 во юо гоо

Время, с

'ис.8. Диаграмма изотермического превращения аустенита стали 40ХНМ.

зеакцию выделения избыточного феррита. В сталях стулень Д -фомежуточная, она становится мартенситной только в низяоугле-юдисТых сплавах, содержащих углерода меньше ~0,01 - 0,02%, ¡тупень Щ - может проявляться как мартенситное и как промежуточное превращение, а ¿7 - только мартенситное превратите, [реобразование мартенситного в промежуточное превращение / Щ / ¡аблюдается при увеличении концентрации углерода в узксм ин-'ервале выше некоторого значения и сопровождается резким за-эдлением превращения. При этом, измеряемая при практических ¡коростях охлаждения маргенситная точка скачкообразно понижайся от Мн-Ш до МН-1У и , соответственно, на кинетической диграмме превращения аустенита в промежуточной области /над и-11/ появляется дополнительно С-диаграмма / Я /. Экспоримен-алыше данные обобщены в виде схематической диаграммы /рис.11/. бозначение превпащений аустенита в сталях как 1, П, Ш, 12 меет смысл классификации по признаку наследственной связи п. репращенкями в железе. Кинетические диаграммы изотерчическо-о превращения аустенита сталей могут быть предстаиленм супе(>-озинией простых диаграмм превргшиший I. II. Я. Ш, порчитного

23

sua ■

|чоо 3-

Si |jfli)

№

\

Q

* "jC"^}— 1 »x—t

r

1tr

—uV

. »

^ Скор ост зйрМхуе/л/л, m^c7 ^

^500 <з

|Ч00 о

a-

^500

Рис.9. Кинетика зарождения /а/ и роста /б/ rtei-tiraia И и Ш в'стали 40ХНМ.

превращения и выделения избыточного карбидм. Какие превращения реализуются в данной конкретной стали зависит ет ез химического состава.

Показано, что влчяние различных' факторов /химического состава , температуры аустенизации, размера зерна, пластической деформации/ на кинетику бейнитного /диффузионного/ превращения /I/ по направлению аналогично известному влиянию на кинетику диффузионных преврыцоний, а на бейнитные /промежуточные/ превращения И 1! Ш - совпадает с известным для промежуточного превращения. По имеющемся данным, отдельно на кинетику превращений 2 и 2 влияние различных факторов хот;: и однотипно по характеру, но моуът сущестьенно отличаться по интенсивности. Следует подчеркнуть. чт-) при анаякое данных о глиетике оорг:зования бвйни-

'¿4

- -1 -1 и

и 1 „о" * 1 <м

I

|—-9 — J— 3Ji>

J tier1 iiP sio1 ДГ3 3-!0's io*

Скорость роста, мн/с

ГС

600 w\

; I

----------

TV

■■„„ХХ-*-«-*^-*-** —

0 го 40 60 iOO 180 250

Рпс.10. Влияниэ скорости охлаждешш /О"! на температуру -начала JP-~<L превращения / Т / в железе /содержание примесей в вес.%: 0,008 С, 0,002*', 0.008Л, 0,02а£, 0,001 Or /.

Рис*. 11. Схема влияния углерода на реализацию различных типов мартенситного и промежуточного превращений аустенита: а - сплошная линия - и Мп-П, измеренные при практических скоростях охлаждения; <$-д - диаграммы начала превращений Д, Ш. И-25

та, особенно в тех случаях, когда превращение идентифицируется только по микроструктурному признаку, необходимо учитывать, что отдельные результаты могут относиться к разным бейнитным превращениям /к диффузионному или к промежуточным/, которые в общем случае по микроструктуре продуктов не различимы. Научат этого фактора приведет к противоречивому результату.

Влияние собственно раз?лера зерна, связанное с действием чисто геометрических факторов, было проанализировано теоретически.

Обозначили: О - объемная доля бейнита; <£ - размер зерна аустенита /средняя длина хорды случайной секущей/;Ь - размер, ограничивающий рост бейнитных кристаллитов в длину; СО - линой-ная скорость роста; ^ - скорость зарождения бейнита на единице площади границы аустенитного зерна; С/ - скорость образования за;юдыщвй, отнесенная к единице объема аустенита;^'- время; 1р-1./и) _ время роста кристаллитов до конечного размера Ь { & отношение полуширины бейнитного кристаллита к его длине. Для малых анализируемых степеней превращения /*» 0,05 / приняты постоянными во времени величины: т.,й.

Нашли уравнения, описывающие кинетику начала изотермического превращения в разных возможных случаях.

1. Зародыши образуются статистически равномерно по объему матрицы. В период наблюдения Т кристаллиты выделений испытывают свободный беспрепятственный рост. В данных условиях справедливо известное упавненив

'¿. :>а рождение статистически равномерное г;о объему, рост выделений ограничен размером ¿ . Для этого случая

'Влияние размера'зерна аустенита на кинетику бейнитных превращений

'Ксли рост ограничен размером зерна /¿¿/ имеем

/4/

/о/

Уравнение /5/ справедливо только в области размеров зерна ¿<с!п-(ЧШ/%*£3)Чн . когда Т/гр< 1 н предсказывает замедление превращения с измельчением зерна. При , когдаТ/^ > 1 .выполняется зависимость /3/, то есть X не зависит от размера зерна. Уравнение /5/ использовано для расчета кинетики промежуточных превращений |и!в стали 40ХНМ по измеренным значениям скорости зарождения и роста. Получено удовлетворительное согласие рассчитанных и опытных данных.

3. Зародыши новой фазы образуются на границах зерна матрицы, рост свободный беспрепятственный. Этим условиям соответствует уравнение

0 ? /6/ где % = (ргтеа?^.

Случай £/£¿>>1 означает исчерпание мест вароаденля на границах зерен уже в начальный период и

г-ож/и). /7/

Если выполняется соотношение 1, то справедливо уравнение

В стали У8 начало образования бейнита 1 при температурах 500460 °С описывается уравнением /7/, а ниже / 430 - 390 °С/ -уравнением /8/,тэ есть интенсивность влияния размера зерна аус-тенита на кинетику образования бейнита I уменьшается с увеличением переохлаждения.

4. Для случая зарождения бейнита на границах зерна, когда рост кристаллитов в душну ограничен размером Л , получили

и~Ч<о +ШЩГ- /9/

Если рост ограничен.размером зерна, то

г - М л. 0 / /

Чш ' /10/

Уравнение /10/ справедливо при (¿<с14-(2вШ Полуденные зависимости /рио.12/ включают все известные экспериментальные. В области оверхмелкого зерна следует ожидать за-

27

I ¿0

Рцс.12. Схема влияния размера зерна аустенита /(¿/ на инкубационный период бейнитного превращения/Т/: а,б - для образования бейнита П н Щ ; в-е - для бей-' ннта 1.

медления на только промежуточных превращений 2 и Ш . но и бейнитного /шкйузнойного/ 1. Экспериментальные зависимости, полученные для интервала относительно крупного зерна, не могут бить экстраполированы в область сверхмелкого зерна.

Влияние температуры аустенизации и режима охлаадения на кинетику изотермического превращения аустенита

Исследования проведены на сталях 27С1Ы, ЗОХД5, 40X3, У8, 71Ь. Температуру аустенизадии повышали максимально до 1100°С, щю доджи телыюсть выдержки 3- 15 мин. Получили, что с повышением температуры и увеличением продолжительности аустениза-ц I бейнитное /диффузионное/ превращение I замедляется, а

'¿3

промежуточные П и Ш могут не изменять своей кинетики, замедляться и ускоряться. При этом, в данной стали изменение кинетики превращений Ц и Щ одинаковое качественно, но может существенно отличаться количественно. Результаты находятся в согласии с известными данными о характере и причинах влияния узсазанных факторов на кинетику диффузионных и промежуточного превращений, полученными на легированных сталях с разделенными температурными интервалами этих превращений.

Обнаружено влияние на кинетику пзоч.рмических превращений аустенита скорости охлаждения, величиной больше верхней критической скорости закалки, от температуры аустенизации до температуры выдержки в субкритической области. Следует различать влияние условно относительно невысоких скоростей охлаждения величиной в интервале о\ критической скорости до превышающих ее в 1,5 - 2 раза и высоких скоростей, в 3 - 5 и более раз выше критической. При использовании охлаждения до. температуры выдержки со скоростями,незначительно превышающими верх-нга критическую,интенсификация охлаждения приводит к замедлэ- • 1шю диффузионных /выделения избыточного феррита, перлита, бэй-нита I/ и промежуточного /П,Щ/ превращений. В интервале'высоких скоростей охлаждения кинетика диффузионных превращений остается неизменной, а промежуточное превращение может ускоряться.

Установлено, что высокая скорость охлаждения приводит к сильному ускорению пр омежуточного превращения /П. Ш / только в сталях, в которых проявляется сильное ускоряющее влияние на это превращение высокой температуры аустенизации. Так, известно, что в сталях, легированных предпочтительно карбидо-• образующими элементами, может иметь место очень сильное ускорение промежуточного превращения после аустенизации при высокой температуре выше«'1000 °С, которое обладает свойством обратимости и не связано о изменением раотворнмости каких-либо фаз. Такое влияние высокой температуры аустенизации на промежуточное превращение / П, Ш / наблюдали в исследованных сталях, легированных . Оно обусловлено быстро протекающими процессами и проявляется после кратковременной используемой выдержки продолжительностью 3 мин. Обнаружено, что в этих сталях одновременно наблюдается сильное ускоряющее влияние на изотермическое промежуточное превращение /П,Ш/ высокой скорости

29

охлаждения. Так, например, в стали 40X3 после аустенизации при 900 °С изменение скорости охлаждения от 100 до 2000 °С/с приводит к уменьшению инкубационного периода превращений Д и Щ почти в 100 раз и времени образования 75$ бейнита - в 2 раза, то есть воздействие очень сильное. Предполагается, что изменение, кинотики превращений обусловлено влиянием степени бликнего упо{ядочения атомов углерода вследствие химического взаимодействия с атомаш карбидообразующих элементов. Было предсказано и экспериментально подтверждено два эффекта. Так, если, Бначале, от температуры аустенизации до температуп верхней части интервала промежуточных превращений охлшндать очень быстро, а затом ззыедлонно, но обязательно со скоростью выше верхней критической скорости закалки, намеренной в условиях охлаздени.. с постоянной средней скоростью, ^ то аустенит может частично и даже полностью превратиться в промежуточной области. Экспериментально наблюдали в стали 40X3 /от 300 до 500 ,°С охлаждали со скоростью 2000 °С/с, а ниже - 100 °С/с, ау тенит на ЬО% превратился в бейнит; при охлаждении только со скоростью 100 °С/с сталь, закаливается полностью на мартенсит/. Данный аффект необходимо учитывать при реализации режима закалки в двух средах /обычно чере? воду в масло/. Если же наоборот, охлаждать по режиму с подстуживаниеы, то удается существенно увеличить устойчивость аустенита к промежуточным превращениям. При изотерической закалке увеличение скорости охлаждения до температуры выдержки в промежуточной области приводит к увеличению полноты превращения аустбнита.

Ь другом случае, когда не проявляется описанное выше очень сильное ускорение промежуточного превращения / П. Ш / после аус-т.шшзащш при высокой температуре ( например, в сталях 40ХНМ, 27СГМ, ЗОХРС| не проявляется и влияние на ото превращение высокой скорости охлаждения. Эта зависимость от химического состава очили указывает, го эффект влияния высокой скорости охлаждения ни лшзьл с действием упругих напряжений.

Представляется, что при изучении и анализе кинетики превращения аустенита в изотермических условиях и , особенно, при сравнении с данными превращения аусгенита в условиях непрерывного охлаждения необходимо учитывать фактор скорости охлаждения .

Устойчивость переохлажденного аустенита после ускоренных режимов аустенизации

Изучена кинетика превращений переохлажденного аустенита при обработке по режимам,, которые обеспечивают получение мелкого зерна. Настоящее исследование отличается от опубликованных ранее по этому вопросу тем, что учли существование трех бейнитных превращений, исследовано влияние исходной микроструктуры стали, скорости нагрева в широком диапазоне от 0,1 до 100 °С/с, продолжительности кратковременной выдержки от 0 до 10 мин. Эксперименты проведены на сталях 27С1М, 40ХШ, 40X3, 40ХЗМ0, 30ХЭН2МФ, Ш с исходными состояниями мартенсит, отпущенный мартенсит, сорбит отпуска, мартенсит я1 структуры отпуска дополнительно деформиро -ванные прокаткой на степень обжатия 20 - 50$, феррит и перлит. -

Показано, что исходная микроструктура стали и скорость нагрева до температур аустенитной области оказывают значительное влияние на устойчивость переохлажденного ауотенита только в случаях нагрева до температур незначительно выше критической точки и кратковременной выдержки продолжительностью до ~3 мин. Это влияние связывается о предпочтительным действием таких факторов, как полнота растворения карбидной фазы и химическая неоднородность, размер зерна, степень фазового наклепа ауотенита. Установлено, что в случае использования нагрева со скоростями величиной м 0,5 °С/с и выше сокращение продолжительности аустенизации до 0,5-2 мин может вызвать существенное повышение устойчивости переохлажденного аустенита к промежуточному превращению / Ц,Щ/ и выделению избыточного феррита. Показано, что наблюдаемое замедление промежуточного превращения не связано с измельчением ауетенитного зерна. Этот аффект наиболее значительно проявляется при исходной мартенситной структуре стали. Он усиливается о повышением скорости нагрева, а в случае относительно медленного нагрева со скоростью порядка 0,1 °С/с - не проявляется.

Предполагается сильное влияние на кинотику превращений ауотенита. фазового наклепа /повышенной плотности дислокаций/. Наблюдаемое несоответствие данных о влиянии фазового наклепа и обработки ШМО на кинетику выделения избыточного феррита объясняется тем, что после обработки ВТМО на границах аустенитннх зерен имеются выступы, на которых, как известно, активизируется зарождение феррита. Рол фазового наклепа согласуется с наблюдаемой связью между структурным механизмом образования аустенита при

31

нагреве и кинетикой превращения переохлажденного аустенита после ускоренной аустенигации. Так, сильное влияние фазового наклепа проявлялось при исходных ориентированных структурах /мартенсит, продукты отпуска/, когда при нагреве реализовался смешанный структурный механизм -перекристаллизации, а в образовавшемся аустените била обнаружена дислокационная субструктура. Это влияние не проявлялось в случав исходной нериентированной ферри-то-нерлитной структуры стали, когда при нагреве аустенит обра- • эовыьался неупорядоченным механизмом, при котором одно зерно формируется из одного центра и , соответственно, в образовавшемся аустените не обнаружена дислокационная субструктура. На основании собственных структурных исследований образования аустенита при нагреве и литературных данных сделано предположение, что в случае реализации смешанного структурного механизма -перекристаллизации дислокационная субструктура мелкозернистого аустенита появляется в результате слияния в одно зерно большого числа растущих кристаллитов близкой кристаллографической ориентировки.

Проанализировано влияние режимов ускоренной аустонизации на кинетику бейнитного /диффузионного/ превращения I в сталях 8Х, 7X3 и перлитного превращения в сталях 40ХНМ, 40X3, 7Х°. Получили, что увеличение скорости нагрева и сокращение продолжительности-аустенизации приводит только к ускорению этих превращений.

Бея совокупность полученных данных свидетельствует-, что фазовый наклеп аустенита замедляет выделение избыточного ферри- ■ та и бейнитные /промежуточные/ превращения Ц, Ш. , а перлитное и бейнитное /диффузионное/ 1 - ускоряет. В доэвтектоидных сталях после ускоренной аустенизащш за счет замедляющего влияния фазового наклепа на выделение избыт ¡чного феррит^ и на промежуточное превращение / П, Ш / может наблюдаться повышенная устойчивость переохл"чвденного аустенита во всей субкритической температурной области /рис.13/. Этот же эффект"" приводит к уменьшению верхней критической скорости закалки. Минимальной выдержке /0,5 - 2 мин/ соответствует наибольшая прокаливаемость стали, она выше при существенно более мелком зерне, чем после обычного медленно-то нагрева и продолжительной выдержки. Режим ускоренной аустени-зации внедрен в производство. Он обеспечил измельчение аустенит-ного зерна, требуемый уровень прокаливаемости и сокращение продолжительности обработки, то есть одновременно повысили качество металла и эффективность производства.

■ 32

При обработке по режиму, включающему нагрев с заданной скоростью до температур« Ас3 и немедленное охлаждение, наблюдается сложная зависимость верхней критической стрости закалки от величины скорости нагрева. Например, на стали 27СШ о исходным состоянием поставки /микроструктура феррит+сорбит отпуска/ получили данные:

Скорость нагрева /°С/с/ до

температуры Ас3............... 0.1 0,5 5 10 30 100

Верхняя критическая скорость

закалки,°С/с.................. 235 130 160 280 220 200

Наибольшая прокализаемость наблюдается в случае нагрова с невысокими скоростями порядка 0,5 - 5 °С/с. Дойствлем размера зерна, химической неоднородности и фазового наклепа аустенита удается объяснить выявленную зависимость. Концентрация угглерода растворенного в аустените в момент достижения Асд с различным! скоростями, оцешш' по дилатометрическому эффекту отпуска мартенсита закаленной стали поело нагрева по такому жэ режиму. Установили зависимость верхней критячоской скорости закалки от размера аустенитного зерна. Для новисоккх скоростей нагрева величиной до "5 °С/с, при которых п ггомент доститетш точки А,,^ концентрация углерода рас-.'воронного в' ауотеютз равна сродней в стали, удалось оценить составляющую верхней крптичпокой'скорсзт:: ?акалки, определяемую влиянием фазового наклона. По.чучкг.я, что значительное влияние фазового наклепа проявляется ухо в случаз нагрева со скоростью 0,5 °С/с, п при ОД °0/с - влияния кзт. Результат согласуется с наблюдаемым иьпрнзнпеи струхстурного наханиа.та образования аустенита от неупорядоченного при 0,1 °С/с до емзиашк;» го прп 0,5 °С/с. Ка;с л сладгтаьо о.тпдать, с уплаченном скорости нагрева ашипгл Фазоеого наклепа ускливаотся.

При разработке ростов закалки с ускоренным нагревом неоЗ-хбдимо различать стада, а которых действие фазового наклона приводам к увеличению прокалнзасмости /верхняя критическая скорость закалки определиэтея кинетикой выделения избыточного феррита, промежуточного превращения / Ц, Е / /. ст сталей, в которых этот фактор прокаливаемость наоборот уменьшает /верхняя критическая скорость закалки определяется кииетшеой- перлитного и бейчктного /диффузионного/ превращения £/. В последнем случае,исходная микроструктура дол на выбирайся из условия реализации при нагреьс. предпочтительно неупорядоченного структурного механизма образования аустенита.

700 VС

500 500

г 3 4 5 6 в 10 20 40 60 100

%С

Рио.13. диаграмма изотермического превращения аустенита стали 27СШ:

нагрев со скоростью 5 °С/с до 950 °С;

--х-исходная феррито-перлитная структута

/полный раопад при 630 °С/, при нагреве аустенит образуется неупорядоченным механизмом, выдержка при 950 °с - 3 мин, зерно аустенита 15 мкм;

- -----исходная структура стали с рбит

отпуска /650 °С/, 8 ч/, при нагреве реализуется смешанный структурный механизм «1-*Т превращения, выдержка при 910 °С - 1 мин, размер зерна аустенита 15 мкм.

В стали 27С1М обнаружено несоответствие д. иных о влиянии размера зерна аустенита на кинетику промежуточных превращений П., ¡Ц в иэот рмических условиях и на верхнею критическую скорость закалки, величина которой определяется устойчивостью аустенита также в промежуточной области. В исследованном интервале от 10 до; 47 мкм размер зерна не влияет на инкубационный период промежуточного превращения /Ц,Ш/, а величина верхней критической скорости закалки пропорциональна диаметру сечения зерна в степени минус единица. Показано, что это несоответствие обусловлено влиянием скорости охлаждения, величиной больше верхней критической скорости закалки, от температуры аустенизации до температуры выдержки на кинетику изотермического промежуточного превращения.'

Так, данные о влиянии размера зерна аустонита на кинетику изотермического превращения были получены при охлаждении .до температуры выдержки со скоростью в ~ 4 раза больше верхней критической скорости закалки. Дополнительные исследования показали, что по мере уменьшения скорости охлаждения до величины верхней критической промежуточные превращения ускоряются и проявляется влияние на их кинетику размера аустенитного зерна /с измельчением зерна превращения ускоряются/. Получили, что наблюдаемый характер г ияния размера зерна аустенита на кинотику промежуточного превращения в изотерических условпнх зависит от величины используемой скорости охлаждения от томпературы аустенизации до температуры выдержки. Па основании совокупности полуденных данных сделан вывод, что при охлаждении со скоростью, величиной равной и несколько выше верхней критической скорости закалки, в области диффузионных превращений успевают развиться подготовительные процессы. Они активизируют образование бпЬгата на границах аустенитного зерна , что выражается в изменении геометрии зарождения бейнита от приблизительно равномерного по объему до предпочтительного зарождения на границах. Проявляется зави--симость верхней критической скорости закалки, определяемой кинетикой промежуточного превращения, от кшкмк.та процессов в • феррито-перлитной области. Очевидно, эту зщ"л:с.:;;ссть кудно учитывать при анализе влияния не только размера аустонлтного зерна, но и других факторов.

ЗАШЛЕНИЕ

В диссертационной работе осуществлены комплексные исследование превращений в стали ппя пагровэ к охлаидэкни, необходимые для нахождения общих закономерностей направленного игмено-. ния размера аустенитного зерна и кннзтики превращений аустенита при охлаждении.

Получены следуадие основные результаты:

1. Созданы лабораторнач установка и методика комплексных исследований образования аустенита при нагреве и превращения при охлаждении, существенно расширяющие технические возчожиес-ти эксперимента.

2. Выявлена особенность структурной перекристаллизации в условиях ускоренного нагрева со скоростями порядка 0,5 г- 5 °С/с, проявляющаяся в наиболее сильном, по сравнению с медленный и очень быстрым нагревала, .влиянии исходной гдикросгруктуры стали

• 35

«а размер формирующегося мелкого аустенитного зерна.

Наибольшее измельчение зерна достигается при исходных структурах смешанного типа с наибольшей удельной площадью границ раздела структурных составляющих. Путем подбора исходной микроструктуры стали или при циклической обработке скорости охлаждения, величиной меньше верхней критической скорости закалки, можно при ускоренном' нагреве измельчить' зерно аустенита до уровня, близкого к достигаемому при скоростном индукционном нагреве.

Обнаружено, что отпуск стали в интервале развития обратимой отпускной хрупкости влияет на образование аустенита при последующем ускоренном нагре'Ье. Затрудняется зарождение аустенитг на границах исходных зерен, что в условиях непрерывного нагрева выражается в повышении температуры начала превращения в приграничных объемах и формировании более крупного зерна. При обратимом, изменении состояния охрупчиванкя разм§р зерна аустенита, образующийся при повторном нагреве , изменяется^также обратимо.

3. Установлены кинетические и структурные особенности роста зерна аустенита, формирующегося при -перекристаллизации, в зависимости от исходной микроструктуры стали и скорости наг-р&ва до температуры выдержки.'

Условия получения мелкого зерна аустенита оказывают наиболее сильное влияние на кинетику роста зерна в начальный короткий период выдержки продолжительностью до ~ 3 - 10 мин. Быстрнй начальный рост часто контролирует размер зерна даже после относительно длительно!; выдержки.

Существует некоторая граничная /критическая/ скорость нагрева, при превышении которой наблюдается резкое ускорение изотер-, маческого роста зерна аустенита, которое связывается с развитием первичной бесцентровой рекристаллизации, вызванной фазовым наклепом. В случае нагрева со скоростями меньше граничной развивается собпрателышя рекристаллизация, а такие при наличии частиц не-растьоренного цементита, сдерживающих собирательный рост, в период их дорастворенкя при'выдержке развивается рост зерна по механизму вторичной рекристаллизации.

Доказано существование относительно устойчивого против соби-раточьноЛ рекристаллизации определенного распределения зорен по размеру. К моменту стабилизации среднего размера устанааииваегоя логю'мальное распределение диаметров зерен, характеризующееся

независимо от среднего размера зерна и предварительной обработки стали , одной и той же дисперсией <**= 0,0116. Степень отклонения начального распределения зерен по размеру от "устойчивого" . определяет склонность к собирательному росту.

Мелкозернистая структура будет относительно стабильна• если скорость нагрева ниже граничной, температура нагрева шиш температуры начала ко-^ляции и растворе'"1Я примесных фаз, начальное распределение зерен по размеру близко к "устойчивому" против собирательного роста. Показана зЯфоктшзность ремиз ступенчатой аустенизации для повышения устойчивости мелкого зерна аустенита, формирующегося в условиях скоростного нагрева.

4. Уточнены и развиты представления о кинетических и отрук- ' туршх особенностях превращений аустенита сталей.

Доказано существование трех бейштных превращений /бейнит- . ного /диффузионного/I и двух бейнитных /промш^точннх/ Ц, Щ/. ■ Этим превращениям соответствуют разные кинетические С-диагрсммы. Бэйнитное £ отличается от бейнитных 3, 0 кзнетикой /механизмом/ зарождения и роста. Два бзйнитшос /промежуточзшх/ прзвращения по механизму роста не сличается , их наличие обусловлено существованием двух максимумов скорости /двух механягчоз/ взродденЕЯ, ■ • По микроструктуре, продуктов зти три превращаете, я оСгцем слуло, не разл.. шт. Влияние разных факторов /заяшческого состава", температуры аустенизацил, размера зерна аустенпта, разового и внешнего наклепа/ на кинетику бейгсггного /дк$фуз"оккого/ превращения I совпадет с известны;.! влияние:! этих факторов на кинетику дп{фу— зиошшх превращений и оно отличается от влияния на кинетику бейнитных /про."-!9ауточн5ис/ прэврзщлнгтй П, Щ. Отдельно па промежуточна превращения Я, Ш влняшга разных факторов одгааковое по характеру, но мотет существенно отличаться • по интенсивности.

Развита гипотеза связи четырех кинетических ступеней превращения в железе с превращениями аустенита в сталях. Выяагз-ны условия образования низкотемпературного перлита. Дано новое • объяснение кинетической аномалии изотермического преврсщокия аустенита прз-температурах чуть внпе мартенситной точки.

5. Разработана теория кинетики образования бейнита для случаев зарождения на границах и равномерно по объему зерна аустенита с учетом структурных особенностей роста. Предсказаны возможнее? зависимости инкубационного периода образования бейнита от размера зерна аустенита. Численный расчет показал хорошей согласие

37

теории и эксперимента.

6. Установлено, что скорость охлаждения, по величине равная и даже в 1,5 - 2 раза больше верхней критической скорости закалки, не обеспечивает полное подавление процессов в аустени-те, развивающихся в субкритической температурной области. Подготовительные процессы в аустените, которые успевают получить развитие в ходе охлаждения с закритической скоростью через температурную область диффузионных превращений, ускоряют последующее промежуточное превращение / П, Щ /. Показано, что величина верхней критической скорости закалки, определяемая кинетикой промежуточного превращения, может увеличиваться по причине ускорения процессов в феррито-перлитной области. Влияние факторов косвенное, посрэдством изменения кинетики диффузионных превращений, может отличаться по направленно й интенсивности от их прямого воздействия на скорость промежуточного превращения.

Обнаружено, что в сталях легированных сильными карбидообра-эупцими элементами /исследованы стали с З^Сг / проявляется значительное ускоряющее влияние на промежуточное превращение /П, Щ/ высокой температуры аустенизации /выше -1000 °С/ и , одьовремен-но, высокой скорости охлаждения, величиной в 4-Е раз больше верхней критической скорости закалки. Эффект связывается с влиянием степени ближнего упорядочения атомов углерода вследствие химического взаимодействия с атомами карбидообразующих элементов. Изменяя режим охлаждения с закритичеекими скоростями удается в широ- : ких пределах изменять устойчивость переохлажденного аустенита в промежуточной области.

В общем случае, анализ экспериментальных данных о влиянии различных факторов на кинетику превращения аустенита в изотермических условиях и на величину верхней критической скорости закалки должен проводиться о учетом возможного влияния скорости охлаждения, в противном случае могут быть получены противоречивые результаты.

7. Установлены кинетические особенности превращения аустенита после ускоренных режимов нагрева, выявлена роль фазового наклепа.

фазовы>( наклеп замедляет выделение избыточного феррита, промежуточные превращения / Ц, Щ /. но ускоряет перлитное и бейнитное /диффузионное/ превращения. Имеется связь между структурны:,: механизмом образованы аустенита при нагреве и кинетикой

38

ого превращения после ускоренной аустенизавди.

Показано, что уменьшение задержки в аустенитном состоянии до минимума /до"0,5 - 2 мин/ может привести ¡с существенно^ повышению прскаливаемости, а не к ее уменьшению. Прокаливаемость может оказаться выше при существенно более мелком зерно, чем после обычной закалки с мепленным нагревом и длительной выдержки.

Разработаны режимы закалки с ускоренным нагревом, которно обеспечили одновременно измельчение аустенитного зерна, требуемый уровень прокаливаемостл стали и интенсификацию процесса. От внедрения результатов на ряде предприятий получен годовой экономический эффект 428,5 тыс. рублей.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях;

1. Морозов О.П., Мирзаев Д.А., Штейнберг М.М. О некоторых закономерностях превращения в железе при охлаждении с высокими скоростями.- Физика металлов и металловед.,1971, т.32, в.6, с. 1290-1296.

2. Морозов О.П., Мирзаев Д.А., Штейнберг 'М.М. Полиморфное гамма-альфа превращение в железе высокой степени чистоты,- '¿н- ' зика металлов и металловедение, 1972,т.34,в.4,с.795-800.

3. Морозов О.П., Мирзаев Д.А., Штейнберг М.М. Закономерности

превращении в железа и его сплавах в широком диапазоне скоростей охлаждения /Вопросы производства и обработки стат. - Челябинск: ЧПИ, 1972, с. 104-113.

4. Мирзаев Д.А., Морозоз О.П., Штейнберг М.М. О связи гемма-альфа превращений в железе и его сплавах.- Физика металлов п металловедение, 1973, т.36, в.З, с.560-568.

5. Морозов 0.11., Мирзаев Д.А., Штейнберг М.М. Фазовое превращение в железе повышенной степени чистоты /Вопросы производства и обработки стали.- Челябинск: ЧПИ, 1973,с.120-126.

6. Морозов О.П. Анализ кинетики зарождения новой фазы по кривым изотермического превращения / Вопросы производства и обработки стали.- Челябинск: ЧШ, 1975, с.123-127. ■ •

7. Морозов О.П., 1\узнецов В.Ю. Кинетикз изотермического превращения аустенпта в стали Ре + + 0,44;% / Вопросы производства и обработки стали.- Челябинск: ЧПИ, 1976, с.146-150.

8. Морозов О.П., Кузнецов Б.Ю. Методика исследования кинетики фазовых превращений при скоростном охлаждении до температуры изотермической выдержки,- Зав.лаб.,1978,т.44,с.186-189.

9. Морозов О.П., Штейнберг U.M., Кузнецов В.Ю. О кинетике бей-нитного превращения в некоторых конструкционных сталях./Вопросы производства и обраб". стали.-Челябинск: ЧПИ,19?8,с.99.

10.Морозов О.П., Кузнецов В.Ю. Электроконтактное устройство для •установок исследования кинетики фазовых превращений в металлах и сплавах при нагреве.- Авт. свидетельство №2421349 от 22 ноября 1976 г.

11.Штейнберг М.М., Морозов О.П., Попова Т.А. и др. Влияние тем-пературно-времеиных условий нагрева конструкционных сталей на размер зерна аустенита./Вопросы производства и обработки стали.- Челябинск: Ч1Ш, 1973,с. 117-124. ,

12.Ыорозов О.П., Штейнберг М.М., Кузнецов В.Ю. Особенности гшл-ма-альфа перехода в сталях на основе Fe + 3%0г в температурной области промежуточного превращения,- Физика металлов и

. металловедение, 1979,т.48,с.123-134.

13.Морозов О.П., Штейнберг М.М., Попова Т.А. О фазовой и структурной перекристаллизации в некоторых конструкционных сталях/ Вопросы.произвол.и обработки с;тали.-Челябинск:1979,ЧШ,с.99.

14.Морозов О.П., Штейнберг М.М,, Кузнецов Б.Ю. О промежуточном превращении в некоторых конструкционных сталях./Вопросы производства и обработки стали.-Челябинск:Ч1Ш, 19'/Э,с. 102-108.

15.Морозов О.П., Штейнберг М.М., Попова Т.А. и цр. Исследование связи размера зерна аустенита с услоьижст не.трева стали

27СИ,'../Вопросы произвол, и обраб. стали.-Челябинск :ЧШ1,1980, с.108 - 112.

16.Счастливцев B.U., Садовский В.Д., Морозов О.П., Яковлева И.Л. О существовании низкотемпературного перлита в заэвтектоидных сталях.- Физика мет. и металловед.,1981,т.51,в.5,с.991-1001.

17.Морозов О.П., Попова Т.А. Методика исследования структурной перекристаллизации сталей при нагреве с заданными скоростя-

• мк.- Заводская лаборатория,1981,т.47,№12,с.49-52.

1Ь.Морозов О.П., Попова Т.А. Анализ устойчивости мелкозернистой структуры аустенита, формирующейся при фазовой drt -перекристаллизации. /Вэпросц производства и обработки стали.-Челябинск;

. ЧШ1, 1931, с.86-93.

1.9. Морозов '0.П., Попова Т.А. К вопросу об устойчивости мелкозернистой структуры аустенита конструкционной стали, ¿ор.ч!'-ругацейся при фазовой гперекристатлизации.-МеталлоЯ'г-

зика, 1982, т.ч. П, с. 116-118,

20. морозов О.П. , Кузнецов Ь.К). Кинетические особенности распада переохлажденного аустепита сталей поело ускоренных режимов аустонизации.- Физика металлов и метачловоденио, 1382, т. 63, в.5, с. 960-97.?..

¡1. Попова Т.Л., Морозов О.П, 0 склонности г. измельчении зепеч-ной структур:.' аусте»:::га конструкционных сталей при фазовой У перекристагчизации./Прогрессивная технолопш термической обработки стали и титановых сплавов,- Пермь: ПЛИ,1983, с. 10-15.

2. Морозов О.П., .Шолохов В.А. Прокаливаемость коистругнионноЛ стали поело ско/юстных рвх;гчсв аустениззцшг./ Вопросы производства и обработки стал:!.- Челябинск: Ч1Ш, 19Ш, с.114-117.

3, Счастливцев В.Ь., Еаршпга «.Л,, Яковлева И. Л.« Карзунов Мпрзаев Д. А., Морозов 0.11г: Лэгостасв Ю„Л, „ СелткчеЕ-а Т..]1. Мартенситиие превращения г< каюугчередкеткх ниг.зль- молаЗдо-новнх сталях,- визака металлов п «еталлореденнэ, 1933,т.65, в.4, с. 724-732,

I. Морозов О.П. О кинетических и структурных гахс^сморвогтлх ппевращения аустенкта сталей.- Физика металлов и металлог.з-дение, 1981, т.57, в.1,о„ 142-150,.

>. Шагимулин Ф.А., Кпрель Л.к., НихпЗдоэа О.М.. Йорозоз 0.11., Волохов В.Л. Способ закалки .тестового изделия НЕ; высокопрочной стали,- Авгорско>' свидчт. „'г2161ЭЗ от 22.5.81.

:б.Морозов О.П. О кикотичсско!: аномалия изотерг.пч-г-сгсого псез-ращения аустепита вблизи картеиситкой точки,- Изв. АН ССС?. Металлы, 1965, КЗ, с. 91-95с

. Морозов О.П., Попова Т.Д. Влияние скорости нагрева на устойчивость мелкого зерна аустенита, формирующегося при ¿—г'-перекристаллизации.- Физика мет. и металловедение, 1936,т..61, в.2, с. 316-324.

. Волохов В.А., Морозов О.П., Попова Т.А. Вопросы питал ьченик зерна аустенита и прокаливаемости стали,- Изв. вузов.- Черная металлургия, 1986, №6, с.83-85.

. Морозов СЛ. , Счастливцев В.М., Яковлева И.Л. Соотношение между общей кинетикой образования, скоростью роста стдёль-

41

них выделений и микроструктурой бейнита стали 40ХНМ.- Физика металлов и металловедение, 1987, т.64, в.6, с.1136-1146.

30. Морозов О.И., Попова Т.А., Волохов В.А. Влияние исходной микроструктуры стали на измельчение зерна аустенита при нагреве в результате <t-f -перекристаллизации / Ред.ж.

. ЫиТОМ,- М. ,1987,- 10 с ил.- Библиография: 10 назв.. Деп.в ВНЖГЕМР. 09.02.87, №67.

31. Морозов О.И., Счастливцев В.М. Кинетика зарождения бейнита в стали 40ХНМ,- Физика металлов и металловедение, 198(3,

т.65, в.6, с. 375-384.

32. Морозов 0.11., Счастливцев В.М. Низкотемпературный перлит

в высокоуглеродистых нелегированных сталях.- Физика металлов и металловедение, 1988, т.66, в.5, с. 910-919.

33. Морозов О.П., Попова Т.А. Влияние скорости нагрева на зависимость начального размера зерна аустенита от исходной микроструктуры стали.- Изв. вузов. Черная мет., 1988,№4,с.54-58.

34 Морозов О.П., Попова Т.А. Влияние охрупченного состояния стали на процесс образования аустенита.- Изв. АН ССР. Металлы, 1988, №3, с.105-109.

35. Морозов 0.11., Попова Т.А. Повышение устойчивости мелкого зерна аустенита конструкционной стели при ступенчатом режиме нагрева.- Изв.вузов.Черная мет.,1989, с.76-81.

36. Морозов O.P. Измерение линейной скорости роста бейнита при превращении аустенита стали.- Заводская лаборатория, 1989, т.55, Jfc9, с. 60-66.

37. Морозов О.П., Волохов В.А., Кирель Л.А., Шагимулин Ф.А. Прокаливаемость мелкозернистой стали./Совершенствование машиностроительных материалов, конструкций машин и методов обработки.- Челябинск: ЧПИ, 1983, #621.09. - с.11-14.

38. Морозов О.П., Волохов В.А. Сравнение кинетики выделения беи-нита при зарождении на границах и равномерно по объему аус-тенитного зерна.- Физика металлов и металловедение, 1989,

т.68,в.6,с.1096-1103.

39. Морозов О.П., Счастливцев В.М., Яковлева И.Л. Верхний и нижний бейнит в углеродистой эвтектоидной стали.- физика металлов и металловедение, 1990, ji2, с.150-159.

40. Морозов О.П. Полная кинетическая диаграмма образования вер-' хнего бейнита в углеродистой эвтектсидной стали.- Изв. АН СССР. Металлы, 1990, №1, с.68-72.

. 42

41. Морозов О.П., Счастливцев В.М., Яковлева И.Л. Влияние дополнительного легирования хромом и молибденом эвтектоидной стали на верхнее и нижнее бейнитные превращения аустенита.-Физика металлов и металловедение, 1991, №4, с.138-145.

42. Морозов 0.11., Волохов Б.А. Исходная микроструктура стали

и ррзмер зерна аустенита, формирующийся при нагрове,- Изв. Ali СССР. Металлы, 1991, №3, с.70-73.

43. Морозов О.П. Связь реакции выделения избыточного феррита и верхнего бейнитного превращения аустенита в сталях.- Физика металлов и металловедение, 1991, #8, с.154-162.

г.Екатеринбург ул.С.КовалевскойД8