Превращение переохлажденного

В случае полиморфного превращения при переохлаждении высокотемпературной фазы чаще происходит бездиффузионное превращение высокотемпературной модификации в низкотемпературную. Без/т.иффузионное превращение осуществляется сдвиговым путем. В основе сдвигового механизма превращения лежит кооперативное и закономерное перемещение атомов, при котором они сохраняют своих соседей и смещаются один по отношению к другому на расстояния, меньшие межатомных. При этом изменения состава фаз не происходит. Превращение, протекающее при значительном переохлаждении, называют мартенсипшым, а образующуюся фазу — мартенситом. Во время превращения образующийся кристалл мартенсита когерентно связан с исходной фазой и его рост идет с большой скоростью (~1(Р м/с) даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Как правило, мартенсит закономерно ориентирован относительно исходной высокотемпературной фазы. Кристаллы мартенсита имеют форму пластин (игл).

ются дислокационные узлы и кроме того в тех объемах аустенита, которые флуктуацпонно обеднены углеродом. Пока на границе мартенсита и аустенита существует сопряженность решеток (когерентность), скорость образования и роста кристаллов мартенсита очень велика (~103 м/с). Поскольку мартенситное превращение осуществляется путем закономерного и кооперативного перемещения

С увеличением содержания углерода степень тетрагональное™ решетки (с/а) повышается. Отношение с/а -1 + 0,046С, где С - концентрация углерода в аустените, % по массе. Мартенситное превращение протекает только в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлажден до низких температур, при которых диффузионные процессы становятся невозможными. Мартенситное превращение осуществляется путем сдвига и не сопровождается изменением состава твердого раствора. Отдельные атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные, сохраняя взаимное соседство. В процессе роста мартенситного кристалла

При закалке полиморфное превращение осуществляется по мартенситному типу, сопровождающемся образованием метастабильных фаз (а', а", со), или после закалки образуется р-фаза (в системе титановых сплавов), или у-фаза (в системе сплавов на основе железа), которые, будучи неустойчивыми, претерпевают превращения при нагреве (старение, отпуск). У сплавов на основе титана а' -фаза по свойствам значительно отличается от мартенсита стали; она имеет пониженную прочность и повышенную пластичность.

Мартенситное превращение осуществляется путем сдвига и не сопровождается изменением состава твердого раствора.

Массивные превращения, при которых фазовое превращение осуществляется нормальными (индивидуальными) переходами атомов через межфазную поверхность без перераспределения компонентов между фазами. Характерной особенностью их является образование фазы того же состава, что и исходная фаза. В этом отношении массивное превращение имеет много сходного с мартенсит-ным, оба они происходят безызбирательно. Однако, в отличие от мартенситного превращения, массивное превращение не ведет к образованию ориентированных кристаллов. В соответствии с данными [3381 кристаллы, растущие по массивному механизму, пересекают границы, существовавшие в высокотемпературной фазе, и приобретают более или менее равноосную форму. Это разрешает предположить отсутствие кристаллогеометрической связи между исходной и образующейся фазами.

Приведенная классификация характеризует крайние случаи. При развитии тех или иных превращений могут иметь место различные сочетания указанных механизмов. Например, массивный или мартенситный характер может иметь начальная стадия полиморфного превращения или процесса распада пересыщенного твердого раствора, а в дальнейшем, при росте фаз, они сменяются нормальным или когерентным механизмом. Возможна и противоположная ситуация, когда фазовое превращение осуществляется при непрерывном охлаждении. Примером подобного вида перехода могут явиться превращения в меднобериллиевых сплавах [133] и др.

Представляется вполне логичным объяснить с этих позиций существование неравновесного по составу аустенита, зафиксированного авторами работ [3, 14] при скоростном нагреве. Естественно, что при относительно медленном нагреве (например, при посадке образцов в нагретую печь) разделить стадию образования малоуглеродистого аустенита и его насыщения углеродом сложнее. Если а -*• 7-превращение осуществляется в неискаженной структуре, скорость достижения равновесия, т.е. "время жизни" метастабильного аустенита, лимитируется диффузией углерода, которая при температурах превращения идет достаточно быстро. Тем не менее, если создать условия, затрудняющие быстрое насыщение углеродом образовавшихся аустенитных участков, можно ожидать, что и при сравнительно медленном нагреве равновесных структур метастабиль-ный по составу аустенит может быть зафиксирован. Поскольку в низкоуглеродистой стали для образования аустенитных областей равновесной концентрации вблизи Acl требуются очень значительные отклонения содержания углерода от среднего, в таких сталях зафиксировать мета-стабильный аустенит должно быть легче, чем в эвтектоидных, особенно если превращение развивается в крупнозернистой структуре. В этом случае зародыш аустенита, сформировавшийся на границах ферритных зерен, удален от источника углерода (перлитного зерна) на большое расстояние, и для его насыщения требуется более длительное время. Действительно, •у-фаза с меньшей, чем следует из диаграммы состояния, концентрацией углерода была зарегистрирована при печном нагреве отожженной крупнозернистой стали 20 (см. рис. 32).

В последние годы все большее количество исследователей приходят к заключению, что при нормальном характере превращения способ движения границы вряд ли сводится к переходу одиночных атомов от одной решетки к другой. Более вероятно, что превращение осуществляется кооперативной перестройкой решетки в объеме, размер которого определяется степенью соответствия фаз на границе [ 26]. Поскольку между собой такие переходы коррелированы слабо, суммарный макросдвиг, характерный для кооперативного перемещения атомов, отсутствует, хотя на "микроуровне" характер превращения идентичен мартенситному.

Экспериментальной проверкой изложенных концепций может служить изучение характера движения границы раздела фаз. Если имеет место независимое перемещение атомов через границу, ее движение должно быть непрерывным, если, конечно, процесс не осложняется накоплением примесных атомов на границе раздела. В том случае, когда превращение осуществляется сдвиговой перестройкой решетки в определенном объеме с последующей релаксацией возникших напряжений, должно наблюдаться скачкообразное движение границы. В ряде работ такой характер перемещения межфазной границы был зарегистрирован

В таких условиях нагрева ферритная метрица частично рекристаллизуется до начала а -» 7-превращения, и здесь обнаруживается четкая связь между состоянием матрицы и количеством возникшего аустенита. В нерекристаллизованных участках а -+ -/"Превращение осуществляется интенсивно, тогда как в рекристаллизо-ванных сильно замедляется. В данном случае ликвация кремния играет второстепенную роль. Как известно, кремний сильно замедляет рекристаллизацию феррита в чугуне. Поэтому нерекристаллизованными остаются участки, обогащенные этим элементом, и тем не менее а -» ^-превращение наиболее активно развивается именно здесь.

На рис. 187 показано время превращения аустенита в перлит в зависимости от степени переохлаждения, т. е. превращение переохлажденного аустенита при постоянной температуре. Поэтому такие диаграммы обычно называют диаграммами изотермического превращения аустенита. Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита имеют вид буквы С, поэтому их часто называют С-образными или просто С-кривы-ми1.

Бейнитное превращение переохлажденного аустенита происходит в температурном интервале, расположенном ниже перлитного, но выше мартенситного интервала, поэтому его часто

Перлитное превращение переохлажденного аустенита носит кристаллизационный характер и начинается по диффузионному механизму. Это следует из того, что аустенит, например, углеродистой стали (рис. 102), практически однородный по концентрации углерода, распадается с образованием феррита (почти чистое железо) и цементита, содержащего 6,67 % С, т. е. состоит из фаз, имеющих резко различную концентрацию углерода. Ведущей, в первую очередь возникающей, фазой при этом является карбид (цементит). Как правило его зародыши образуются на границах зерен аустенита.

Механизм промежуточного превращения. Бейнитное (промежуточное) превращение переохлажденного аустенита (рис. 114) сочетает

Рис. 118. Превращение переохлажденного аустенита легированной СТУЛ и, обладающего высокой устойчивостью при температурах промежуточного превращения:

Перлитное превращение переохлажденного аустенита протекает при температурах ATJ.- 500 °С. В процессе превращения происходит полиморфное у—»а превращение и диффузионное перераспределение углерода в аустените, что приводит к. образованию феррито- цементитной структуры :

Бейнитное превращение переохлажденного аустенита сочетает в себе элементы перлитного и мартенситного превращений: диффузионное перераспределение углерода в аустените между продуктами его распада и мартен-ситное бездиффузионное превращение.

Рассмотрим превращение переохлажденного аустенита на примере стали эвтектоидного состава (0,8% С). С увеличением степени переохлаждения (ниже 727° С) увеличивается разность свободных энергий AF аустенита и перлита, что ускоряет процесс превращения. Но в этих условиях уменьшается скорость диффузии D углерода, что замедляет превращение переохлажденного аустенита (рис. 82, а). Скорость диффузии углерода особенно умень-

Выше мы рассмотрели превращение переохлажденного аустенита при постоянной температуре. С-кривые позволяют также изучать превращение аустенита при непрерывном охлаждении, когда сталь, нагретая до аустенит-ного состояния, охлаждается с различными скоростями. С-кривые с наложенными на нее кривыми охлаждения (У! < о 2 <; 1>3 < У4 <; i>5) приведены на рис. 83. При медленном охлаждении (со скоростью fj), например с печью, стали, нагретой до аустенитного состояния, аустенит превращается при температурах, соответствующих точкам пересечения кривой охлаждения с линиями диаграммы. Если превращение происходит в районе температур, при которых образуется перлит, то и микроструктура стали после охлаждения состоит из перлита; при охлаждении с большей скоростью v2 (на воздухе) про-

210. Садовский В. Д. Превращение переохлажденного аустенита (атлас диаграмм). М., Металлургиздат, 1947.

Насыщение аустени-та углеродом и его превращение п перлит Распад свободного цементита Превращение переохлажденного аусте-нита Перлит, сорбп-тообразный перли"