МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

Фазовые превращения в железоуглеродистых сплавах

Процесс образования аустенита при нагреве являет­ся диффузионным процессом и подчиняется основным

/

Глава 4. Легирование железоуглеродистых сплавов

положениям теории кристаллизации (появление заро­дышей, рост кристаллитов и т. п.).

При нагревании, например, эвтектоидной перлитной стали до температуры Аа происходит постепенно уве­личивающееся растворение цементита в феррите и по­вышение концентрации углерода в соответствии с ли­нией предельной растворимости (рис. 3.8, линия PSK). При дальнейшем возрастании температуры (несколько выше АС|) концентрация углерода в отдельных зернах феррита возрастает, они становятся неустойчивыми и начинается превращение (перестройка решетки) ферри­та в аустенит, стабильный при данной температуре. За­родыши аустенита образуются на границе раздела фер­рита и цементита, где наличие дефектов структуры снижает энергию их образования. После исчезновения с ростом температуры границ феррита и цементита на­блюдается рост образовавшихся зерен аустенита. Одна­ко он неоднороден по содержанию углерода в отдельных зернах (блоках).

Для начала гомогенизации аустенита требуется повы­шение температуры выше Ас3 и некоторое время. Чем больше углерода, тем быстрее протекает процесс гомоге­низации. Однако легирующие (Сг, Mo, V) задерживают процесс аустенизации при нагреве из-за образования легированного цементита или карбидов легирующих. Процесс задержки усугубляется увеличением скорости нагрева. При дальнейшем повышении температуры выше АСз происходят рост зерна аустенита и его гомо­генизация.

Если эвтектоидную сталь переохладить до темпера­туры ниже Асз, то аустенит окажется в метастабильном состоянии и должен претерпевать превращение. Кине­тика этого процесса описывается диаграммами изотер­мического превращения аустенита, т. е. превращения,

протекающего при постоянной температуре. Процесс изотермического превращения аустенита рассмотрим на примере переохлаждения эвтектоидной стали. Пусть, нагретая до 770...780 С (несколько выше Ас,) сталь ох­лаждена до температуры Т,, лежащей ниже Аа. При этом аустснит переохлажден на величину ДТ (рис. 4.1, а).

а 6

Рис. 4.1. Схема изотермической обработки (а) и кинетическая кривая (б) распада аустенита.

Являясь метастабильным, переохлажденный аустенит сохраняется в течение времени t,. Точка Н — начало рас­пада, а точка К — конец распада аустенита, продолжи­тельность распада t!—12. На рис. 4.1, б показана кинети­ческая кривая распада аустенита, из которой видно, что наибольшая скорость распада наблюдается при 50%-ном превращении аустенита.

Повторяя описанный процесс при разных степенях переохлаждения АТ, получим в каждом случае разное положение точек Н и К Соединив линии, представля­ющие собой геометрические места точек Н и К при раз­личных ДТ, построим диаграмму изотермического пре­вращения переохлажденного аустенита (рис. 4.2.).

Следствием распада аустенита является снижение ра­створимости углерода в феррите, поэтому избыток уг­лерода диффузионно выделяется из раствора, дополни-

тельно образуя карбид железа по схеме: А -» Ф + К. Уве­личивая степень переохлаждения АТ можно измельчать зерна образовавшейся карбидно-ферритной фазы Од­нако при весьма высоких скоростях охлаждения, харак­терных, например, для процессов сварки, диффузион­ный распад аустенита резко тормозится и может вообще не произойти. Результатом бездиффузионного превра­щения аустенита в феррит является образование пере­сыщенного твердого раствора внедрения углерода в a-железе с искаженной кристаллической решеткой и большими внутренними напряжениями. Такой пере­сыщенный раствор называется мартенситом и характери­зуется наивысшей хрупкостью и твердостью. На рис. 4.3, иллюстрирующем диаграммы изотермического распада, температура начала и конца образования мартенсита обо­значены буквами М„и Мк Время минимальной устойчи­вости аустенита t инк аустенита, как видно из рис. 4.3, су­щественно изменяется, если в стали содержатся легирующие элементы. Находясь в твердом растворе, ле­гирующие элементы препятствуют распаду аустенита

Рис. 4.3. Диаграммы изотермического распада аустенита в низкоуглеродистой (I), среднелегированной (II) и высоколегированной (III) сталях

при охлаждении, т. е. сохраняют его устойчивость в большом временном интервале. В первом приближении можно принять, что легирующие элементы смещают линии изотермических превращений (С образные кри­вые) вправо (см. рис. 4.3), а температуру мартенситных превращений Мн — вниз. Углерод, никель, медь и, ча­стично марганец, находясь в таком растворе, увеличи­вают устойчивость аустенита и замедляют скорость его распада в ферритной области. Карбидообразующие эле­менты (Сг, Mo, V, Тій др.) замедляют распад аустенита в области перлитного превращения при Т = 780...550 °С и особенно резко уменьшают скорость распада аустени­та при Т = 550...400 °С. При Т < 400 °С скорость распада аустенита вновь резко возрастает. В результате диаграм­ма изотермических превращений принимает более слож­ный вид (рис. 4.3, II) и состоит как бы из двух С-образ - ных кривых, имеющих два минимума устойчивости переохлажденного аустенита (tnLn, и tmin2), соответствую­щие перлитному (диффузионному) и бейнитному (про­межуточному) превращениям.

Практически распад аустенита всегда происходит не изотермически, а в условиях непрерывного изменения скорости охлаждения в интервале температур превраще­ний, и кинетика превращений описывается термокине­тическими (анизотермическими) диаграммами, позволя­ющими оценивать влияние изменяющихся во времени скоростей охлаждения. При этом однотипные линии ди ­аграммы термокинетического распада смещаются правее и ниже в сравнении с линиями изотермического распа­да. Термокииетический процесс распада аустенита про­должается в 1,5 раза большее время.

Следует подчеркнуть, что при сварке плавлением фа­зовые превращения при охлаждении протекают в пере­менных температурно-временных условиях, поэтому для

анализа кинетики превращений целесообразно исполь­зовать термокинетические диаграммы анизотермического превращения аустенита, а для анализа состава конечных структур — структурные диаграммы «структура-ско­рость охлаждения» [5]. Схема процесса, приведенная на рис. 4.4, позволяет определить такие параметры у -» а превращения, как длительность охлаждения до появле­ния в структуре бейнита (t6), феррита 0Ф), перлита (tn), и сопоставлять их с длительностями охлаждения t fi0o 500*с

Ht 8оо 9оо-с» соответствующими конкретным термичес­ким циклам различных способов сварки.

Таким образом, совместный анализ диаграмм состо­яния и термокинетических диаграмм сплавов позволя­ет оценивать тепловые режимы сварки и управлять про­цессом формирования структуры сварного соединения.