УДК 669.017.3: 669.14

ОБРАЗОВАНИЕ АУСТЕНИТА В НИЗКО- И СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ ПРИ НАГРЕВЕ

 

AUSTENITE FORMATION IN LOW- AND MEDIUM ALLOY STEELS WHEN HEATED

 

Лаврентьев А.Ю.,  Барчуков Д.А., Ильяшенко С.Е. (Тверской государственный технический университет, г. Тверь, РФ)

Lavrentev A.Y.,  Barchukov D.A., Ilyashenko S.E. (Tver state technical University, Tver, Russia)

 

В статье выполнен анализ опубликованных материалов, касающихся вопросов образования аустенита в сталях при нагреве. Рассмотрены факторы, влияющие на характер образовавшихся зерен аустенита.

In the article the analysis of published materials relating to the formation of austenite in steels during heating. Examines the factors influencing the nature of the formed grains of austenite.

 

Ключевые слова: Термическая обработка стали, аустенит, наплавка, зона термического влияния.

Key words: Heat treatment of steel, austenite, welding, heat-affected zone.

 

В производстве при различных видах термической, термомеханической обработок, при сварке и наплавке стали подвергаются нагреву до температур фазовых превращений. При нагреве сталей происходит образование железа с объемно центрированной кубической решеткой (Feγ). Особенности зерна аустенита оказывают существенное влияние на свойства структур, которые образуются в процессе последующего охлаждения. Особый интерес представляет процесс структурно-фазовых превращений при наплавке и сварке. Высокая скорость нагрева и охлаждения создает условия для образования участков с повышенной хрупкостью и низкой пластичностью. Эти свойства, в свою очередь, повышают риск возникновения трещин в околошовной зоне.

Изменяя условия образования аустенита, появляется возможность корректировки морфологии строения стали, обеспечивая повышение технологических и эксплуатационных свойств.

 

Обзор опубликованных работ

  В теории термической обработки [1] Блантер М.Е. описывает процессы, происходящие при нагреве стали.  Подробно рассмотрено образование аустенита в равновесных условиях в сталях с исходной структурой перлита (эвтектоидной смеси феррита и цементита).

При печном нагреве рекомендуется назначать температуру нагрева на 20…30 °С выше температуры на диаграмме состояния для углеродистой стали. Для легированной стали вследствие протекания выравнивающей диффузии не только углерода, но и легирующих элементов, рекомендуемая температура нагрева должна быть выше на 50…60°С. Из диаграммы состояния следует, что в доэвтектоидной стали при нагреве между температурами A1 и А3, существует структура аустенита и феррита. Однако в условиях быстрого нагрева в этой стали может быть зафиксирована структура, состоящая из аустенита и цементита [1].

Кинетика образования аустенита описывается диаграммами изотермического образования аустенита. Согласно диаграмме состояния образование аустенита эвтектоидной углеродистой стали происходит немедленно после нагрева немного выше температуры А1, однако это превращение реализуется в указанных условиях только при весьма медленном нагреве. В действительности скорость образования аустенита определяется температурой превращения. С увеличением степени перегрева происходит значительное повышение скорости превращения перлита в аустенит. На рис.1 приведена зависимость образования аустенита от температуры. При температуре 730 °С, лежащей вблизи А1, превращение перлита в аустенит начинается через 65 с, а заканчивается через 90 мин. При 760 °С начало наблюдается через 2 с, а конец через 30 с; при 800 °С превращение заканчивается через 1 с. При температуре, превышающей равновесную на 70…80 °С, этот процесс протекает в течение долей секунды. На этот процесс оказывают влияние два фактора. Во-первых - это увеличение разницы свободной энергии при превращении перлита в аустенит. Во-вторых – с повышением температуры увеличивается скорость диффузионных процессов [1].

Рисунок 1 – Влияние температуры на кинетику образования аустенита в эвтектойдной углеродистой стали [1]

 

По мере повышения температуры нагрева в интервале А1 - А3 количество углерода, необходимого для образования аустенита, уменьшается в соответствии с линией GOS диаграммы состояния железо – цементит. Поэтому в доэвтектойдных сталях наблюдается структура, состоящая из аустенита и нерастворенных частиц цементита. В этом случае для получения только аустенитной структуры необходима дальнейшая выдержка при данной температуре. После окончания растворения избыточных частиц цементита в аустените образуется только аустенитная структура, но с неоднородным распределением углерода по объему. Для получения однородного аустенита необходима дополнительная выдержка. С повышением температуры процесс гомогенизации ускоряется [1].

Увеличение температуры и времени выдержки сопровождается укрупнением зерна аустенита. Состав существенно влияет на склонность зерна аустенита к росту. Содержания углерода ускоряет рост зерен аустенита. Однако если углерод в данных температурных условиях частично сохраняется в виде карбидных частиц, то рост зерна аустенита затрудняется. В частности, легирующие элементы, образующие трудно растворимые карбиды (титан, ванадий, тантал, цирконий, в меньшей степени вольфрам и молибден), препятствуют росту аустенитного зерна. Кислород и сера, образующие нерастворимые в аустените оксиды и сульфиды, а также элементы, способствующие выделению графита (кремний, никель и кобальт) или выделяющиеся в виде структурно свободной составляющей (медь), также препятствуют росту зерна аустенита. В то же время элементы, дающие относительно легко растворимые карбиды (например, хром), слабо влияют на размер зерна; марганец и фосфор увеличивают склонность зерна к росту [1].

Стабилизация аустенита характеризуется увеличением устойчивости аустенита против мартенситного превращения. Она может стать следствием механического наклепа или упрочнения аустенита в результате фазового наклепа [1].

Стабилизация аустенита, связанная с механическим наклепом, - следствие воздействия внешних сил и холодной пластической деформации этой фазы. Работа пластической деформации расходуется на изменение структуры аустенита и повышение его прочностных характеристик. Если пластическая деформация происходит при температуре выше То, то образование мартенсита невозможно. Второй тип стабилизации аустенита - его упрочнение под влиянием прямого, а затем обратного мартенситного превращения [1].

  Для процессов индукционного нагрева или сварки характерна высокая скорость нагрева, которая обусловливает важные особенности фазовых превращений и получающейся структуры. С повышением скорости нагрева фазовые превращения смещаются в область более высоких температур. К этому следует добавить, что в доэвтектоидных сталях повышение температуры при индукционном нагреве как бы обгоняет диффузию углерода, в результате чего избыточный феррит превращается в малоуглеродистый аустенит [2].

  С увеличением степени перегрева скорость зарождения центров аустенита растет быстрее линейной скорости их роста. Поэтому в условиях высокочастотного нагрева, отличающихся сильным перегревом выше точек А1 и А3 и отсутствием выдержки при максимальной температуре, образуется очень мелкое аустенитное зерно. Его размер может находиться в интервале 2…7 мкм (до № 14 по ГОСТ Р ИСО 643 - 2011), в то время как при печном нагреве под закалку обычно образуются аустенитные зерна размером более 10 мкм (№№ 7…10) [2].

Из-за большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при максимальной температуре цикла диффузионные процессы оказываются незавершенными, и углерод распределен неоднородно в микрообъемах аустенита. Например, в стали 40 могут образоваться микроучастки аустенита, содержащие 1,7 % С [2].

Очень мелкое зерно, т. е. большая протяженность межзеренных границ, и неоднородность в распределении углерода делают аустенит менее устойчивым при перлитном превращении. Поэтому после скоростного нагрева требуется интенсивное закалочное охлаждение. В микрообъемах аустенита с разной концентрацией углерода образуются кристаллы мартенсита, также различающиеся по составу. В участках аустенита с низкой концентрацией углерода точка Мн расположена выше и могут выделяться дисперсные карбиды при охлаждении мартенситных кристаллов в интервале от Мн до комнатной температуры. Аустенит с очень мелким зерном превращается в очень мелкие кристаллы мартенсита. Указанные выше особенности строения мартенсита в стали после индукционного нагрева обусловливают повышенное сопротивление хрупкому разрушению и даже несколько большую твердость (на 4…6 единицы HRC выше, чем при закалке с печным нагревом)          [2].

  Для условий сварочного нагрева процессы образования аустенита, рассмотрены  в работах Шоршорова М.Х. [3, 4]. Диаграмма превращения при непрерывном нагреве (см. рис. 2) позволяет определить структуру стали при различных скоростях нагрева. Дополнительно возможно определить диаметр образовавшегося зерна аустенита и тем самым оценить склонность к росту зерна. В частности, для стали 35ХГСА при скорости нагрева 1 500 °С/сек средний  диаметр зерна аустенита достигнет  размера 0,1 мм  при  температуре 1 400 °С. При скорости нагрева 5 °С/сек средний диаметр зерна аустенита достигнет размера 0,1 мм при температуре 1 200 °С.

  В работах Макарова Л.Э. [5, 6] и Прохорова Н.Н. [7] описан процесс изменения размера аустенитного зерна. При нагреве до температуры начала аустенизации низко- и среднелегированные стали имеют структуру феррито-перлитно-карбидной смеси, сформировавшуюся при предыдущей технологической обработке. Переход в аустенитное состояние представляет собой фазовое превращение диффузионного типа. Зародыши зерен аустенита образуются на межфазных поверхностях. Так как эти границы весьма разветвлены, на каждом участке исходной фазы возникает большое число мелких зерен аустенита. Возникает новая кристаллографическая ориентация зерен, и происходит перераспределение дефектов кристаллической решетки. В результате исчезают границы бывших аустенитных зерен, если они сохранились в исходной структуре, и образуются новые границы при стыковке растущих зерен. Чем дисперснее исходная структура стали, т.е. чем больше протяженность межфазных поверхностей, на которых образуются зародыши зерен аустенита, тем меньше размер начального аустенитного зерна [6].

Наиболее интенсивно на рост зерна влияет время нахождения металла околошовной зоны выше температуры 1 000°С.  На рис.3. показана схема изменения размера зерна в результате перекристаллизации при нагреве в диапазоне температур от А'сз до 1 000 °С, его роста при нагреве до Тmах и последующего охлаждения до 1 000 °С [6].

 

Рисунок 2 – Диаграмма превращения при непрерывном нагреве для стали 35ХГСА [4] Скорость нагрева Vн, °С/сек:

1 – 1500; 2 – 300; 3 – 150; 4 – 42; 5 – 5

 

Рисунок 3 – Схема процесса изменения размера аустенитного зерна

при сварке [6]

 

Кинетика формирования аустенитного зерна при нагреве стали с исходной мартенситной структурой имеет свою специфику. Нагрев с большими скоростями, выше температуры А'сз (если не успевает произойти отпуск мартенсита), не сопровождается измельчением зерна, а действительное аустенитное зерно наследует размеры бывшего аустенитного зерна до закалки [6, 7].

 

Выводы

На образование аустенита оказывают влияние несколько факторов:

1.     Химический состав стали, в том числе углерод и легирующие элементы.

2.     Скорость нагрева.

3.     Время выдержки при температуре выше 1000 °С.

4.     Предварительная (исходная) структура.

5.     Деформация в процессе выдержки.

 

         Для получения высоких эксплуатационных и технологических свойств стали в технологических процессах, связанных с нагревом стали и образованием аустенита, можно рекомендовать назначать режимы нагрева, обеспечивающие получение аустенита с минимальным размером зерна. Гомогенизация аустенита при этом оказываем меньшее влияние на прочность.

 

Список использованных источников

1. Блантер М. Е. Теории термической обработки. Учебник для вузов. -М.: Металлургия, 1984. 328 с.

2. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп.: И.И. Новиков: Металлургия, 1986. 480 с.

3. Шоршоров М.Х. Металловедение сварки стали и титана. Наука. 1965. 336 с.

4. Шоршоров М.X. Фазовые превращения и изменения свойств стали при сварке. Атлас. М.X. Шоршоров, В.В. Белов. Изд-во «Наука», 1972. 219 с.

5. Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т. I. Свариваемость материалов. Справ. изд. /  Под ред. Э. Л. Макарова – М.: Металлургия,  1991. 528 с.

6. Макаров Л.Э. Теория свариваемости сталей и сплавов / Л.Э. Макаров, Б.Ф. Якушин; под ред. Л.Э. Макарова. – М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2014. 487 с.

7. Прохоров Н.Н. Физические процессы в металлах при сварке. Т.2. Внутренние напряжения, деформации и фазовые превращения. М.: Металлургия, 1976. 600 с.