Введение в природу аустенита как исходной фазы
В основе термической обработки стали лежит управление превращениями ее структурных составляющих. Ключевой из них является аустенит — высокотемпературная фаза, представляющая собой твердый раствор углерода и легирующих элементов в γ-железе. Понимание его природы и поведения является отправной точкой для управления конечными свойствами металла.
Главной структурной характеристикой аустенита является гранецентрированная кубическая (ГЦК) решетка. Такая кристаллическая структура обеспечивает ему ряд уникальных свойств: он немагнитен и обладает значительно более высокой пластичностью по сравнению с низкотемпературными фазами железа. В равновесном состоянии аустенит стабилен только при температурах выше 727°C. Его способность растворять углерод велика и достигает своего максимума в 2,14% при температуре 1147°C, что и определяет его роль как исходной «матрицы» для формирования будущей структуры.
Центральный тезис всего процесса заключается в том, что при охлаждении ниже критических температур аустенит становится термодинамически нестабильным. Именно его распад, протекающий по разным механизмам в зависимости от условий охлаждения, целенаправленно используется для получения сталей с заданным комплексом механических свойств, от мягких и пластичных до сверхтвердых и износостойких.
Механизм и термодинамика диффузионного распада
Когда аустенит охлаждается медленно, он претерпевает диффузионное превращение. Движущей силой этого процесса выступает фундаментальный термодинамический принцип — стремление системы к состоянию с минимальной свободной энергией. Свободная энергия аустенита при температурах ниже 727°C выше, чем у смеси более стабильных фаз — феррита и цементита. Эта разность энергий и заставляет систему трансформироваться.
Сам процесс распада протекает в два этапа:
- Зарождение центров кристаллизации: В объеме аустенитных зерен или на их границах возникают микроскопические зародыши новых, более стабильных фаз.
- Рост центров: Эти зародыши начинают расти до тех пор, пока весь объем исходного аустенита не будет поглощен новыми структурами.
Ключевую роль в этом превращении играет диффузия — перемещение атомов. Для формирования конечной структуры необходимо одновременное протекание двух процессов: перестройка кристаллической решетки железа из гранецентрированной (ГЦК) в объемно-центрированную (ОЦК), характерную для феррита, и миграция атомов углерода на значительные расстояния для образования химического соединения Fe3C (цементит). Продукт такого эвтектоидного распада — перлит, представляющий собой пластинчатую смесь феррита и цементита. В зависимости от степени переохлаждения (температуры, при которой идет распад), могут формироваться его более дисперсные, а значит, и более прочные разновидности — сорбит и троостит.
Кинетика превращения и диаграммы изотермического распада
Скорость диффузионного распада аустенита не является постоянной величиной; она критически зависит от температуры и времени. Для визуализации и прогнозирования этого процесса в металловедении используется мощный инструмент — диаграммы изотермического превращения аустенита, также известные как С-образные кривые.
Эта диаграмма строится в координатах «Температура – логарифм времени». На ней нанесены линии, которые показывают время, необходимое для начала и полного завершения распада аустенита при каждой конкретной температуре. Пространство на диаграмме разделено на области, соответствующие формированию различных структур: перлита, бейнита и, ниже определенной температуры, мартенсита.
Характерная «С»-форма кривых имеет строгое физическое объяснение. При высоких температурах (чуть ниже 727°C) скорость превращения мала, так как мала движущая сила — разность свободных энергий. При очень низких температурах скорость также замедляется, но уже из-за резкого снижения подвижности атомов углерода, то есть из-за затрудненной диффузии. Максимальная скорость распада достигается в «носе» С-образной кривой, обычно в диапазоне 550-650°C. Таким образом, используя эту диаграмму, инженер может, задавая температурно-временной режим охлаждения (маршрут на диаграмме), с высокой точностью предсказать, какая структура, а следовательно, и какие свойства будут у стальной детали после термообработки.
Конкурирующие процессы и стабилизирующие факторы
Диффузионный распад — лишь один из возможных путей трансформации аустенита. При достаточно быстром охлаждении, когда диффузионные процессы подавлены, вступает в действие конкурирующий механизм — бездиффузионное (мартенситное) превращение. Это сдвиговый, атермический процесс, при котором решетка γ-железа кооперативно перестраивается в пересыщенный углеродом раствор в α-железе, формируя чрезвычайно твердую и хрупкую структуру — мартенсит.
В реальных условиях процесс закалки часто приводит к появлению еще одного важного элемента — остаточного аустенита. Это часть исходной фазы, которая по тем или иным причинам не превратилась ни в перлит, ни в мартенсит при охлаждении до комнатной температуры. Его появление связано с тем, что температура конца мартенситного превращения (Мк) для многих сталей, особенно высокоуглеродистых и легированных, лежит ниже комнатной. Факторы, способствующие его сохранению:
- Повышенное содержание углерода: Снижает температуры начала (Мн) и конца (Мк) мартенситного превращения.
- Легирующие элементы: Такие элементы, как никель и марганец, являются аустенитостабилизирующими, они расширяют температурную область существования аустенита и смещают С-образные кривые вправо, облегчая его сохранение.
Наличие остаточного аустенита в конечной структуре — фактор неоднозначный. С одной стороны, он может негативно влиять на свойства, снижая твердость и предел текучести. С другой — в некоторых случаях он способен повышать вязкость разрушения и усталостную прочность. Поскольку оптически его не всегда можно отличить от других фаз, для точного определения его количества используют такие методы, как рентгеноструктурный анализ.
Заключение. Управление структурой и свойствами стали через контроль распада аустенита
Рассмотренные процессы показывают, что распад переохлажденного аустенита — это не хаотичное, а полностью управляемое явление. Варьируя два ключевых параметра — скорость охлаждения и химический состав — можно целенаправленно вести процесс по тому или иному пути, получая в итоге заданную микроструктуру.
Быстрое охлаждение (закалка) ведет к формированию мартенсита, обеспечивая максимальную твердость. Медленное охлаждение (отжиг) позволяет получить пластинчатый перлит, придающий стали мягкость и пластичность. Промежуточные скорости охлаждения (нормализация) или ступенчатые режимы (изотермическая закалка) позволяют формировать тонкодисперсные структуры сорбита, троостита или бейнита, достигающие оптимального сочетания прочности и вязкости. Дополнительным рычагом управления выступает легирование, которое изменяет стабильность аустенита и кинетику его распада.
В конечном счете, каждая из получаемых структур напрямую определяет комплекс механических свойств материала. Поэтому глубокое понимание механизмов и кинетики диффузионного и бездиффузионного превращений аустенита является фундаментальной основой для грамотной разработки и проведения практически всех видов термической обработки сталей и сплавов, от производства строительной арматуры до создания деталей аэрокосмической техники.
Список использованной литературы
- Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил. ISBN 5-217-00241-1
- Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: Справ. изд./ Банных О.А., Будберг П.Б., Алисова С.П. и др. М.: Металлургия, 1986. 440 с. УДК 669.15.017.12(083)
- Гуляев А.П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1977. — УДК669.0(075.8)
- Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справ изд. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1982. 480 с.
- Ржевская С.В. Материаловедение. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. 456 с.
- Курдюмов Г. Ст, Явища закалки и отпуска стали, М., 1960; Ентин Г. И., Превращение аустенита в стали, М., 1960.