Процессы перекристаллизации чугуна

17.10.2019

Процессы перекристаллизации можно классифицировать на процессы, протекающие в аустенитной области, в области у —> а-превращения и в ферритной области.

Основные процессы перекристаллизации, протекающие в надкритической области: выделение вторичных избыточных фаз (графита или цементита) из аустенита, распад цементита, подробно рассматриваемый ниже, коалесценция, сфероидизация и коагуляция.

Выделение вторичных фаз происходит вполне аналогично первичным с той только разницей, что наличие последних инициирует и облегчает перекристаллизацию. Поэтому вторичные фазы откладываются обычно на первичных и эвтектических фазах, но все же иногда отличимы (рис. 50).

Процессы коалесценции, сфероидизации и коагуляции являются естественным следствием стремления к уменьшению поверхностной энергии. В результате коалесценции мелкие кристаллы растворяются, крупные растут. Процесс этот протекает путем диффузии через твердый раствор вследствие большей растворимости мелких кристаллов, как это следует из известной формулы Томсона:
Процессы перекристаллизации чугуна

где C1 и C2 — равновесные концентрации раствора с кристаллами радиусами r1 и r2;

M — молекулярный вес растворенного вещества;

о — межфазное натяжение;

d — плотность кристаллов.

Поэтому раствор является ненасыщенным по отношению к мелким и пересыщенным по отношению к большим кристаллам, вследствие чего мелкие растворяются, а большие растут в результате диффузионного переноса из-за существующего градиента концентрации. Процесс этот протекает тем быстрее, чем выше температура и больше скорость диффузии растворенного вещества, в данном случае углерода. Точно так же протекает и процесс сфероидизации. Роль малых кристаллов в этом случае играют острия и выступающие места с небольшими радиусами закругления, которые согласно (I.69) растворяются. Роль крупных кристаллов играют места с большими радиусами закругления, на которых растворенное вещество откладывается. В результате этого процесса и происходит сфероидизация. На практике обычно сосуществуют процессы коалесценции и сфероидизации, т. е. происходит коагуляция.

Наибольшее развитие эти процессы имеют при термической обработке, длительной выдержке при высоких температурах, причем процессы с цементитом происходят значительно быстрее, чем с графитом.

Процессы перекристаллизации в области у —> а-превращения формируют матрицу чугуна, и в зависимости от того, насколько полно происходит превращение аустенита и протекает ли оно по стабильной или метастабильной системе, матрица чугуна может получиться аустенитной, мартенситной, игольчато-трооститной (бейнитной), перлитной, ферритной или с различным соотношением этих фаз (рис. 51). Наилучшим образом эти процессы иллюстрируются изотермическими диаграммами распада аустенита в чугуне (рис. 52). Во всех чугунах — сером, высокопрочном и ковком — вначале вне зависимости от переохлаждения, практически без инкубационного периода начинает выделяться графит, который откладывается на уже имеющихся включениях. Таким образом, графит в этом случае всегда является ведущей фазой превращения. Затем начинает выделяться феррит вокруг графита, по границам или внутри аустенита в виде видманштеттовых образований, и идет, следовательно, превращение

В сером и ковком чугуне (рис. 52, а и б) этот процесс может полностью завершиться в стабильном эвтектоидном интервале при достаточной выдержке, в результате чего получается чисто ферритная матрица и структура Ф+Г. В высокопрочном же чугуне (рис. 52, в) частично накладываются интервалы стабильного и метастабильного равновесия и процесс образования феррита поэтому никогда не протекает до конца. В некоторой степени в этом интервале происходит поэтому также процесс образования перлита А —> II или, что то же,

Поэтому чисто ферритная матрица может в этом случае получиться только в результате распада эвтектоидного цементита, конец которого изображается линией МН. При больших переохлаждениях в области ниже стабильного эвтектоидного превращения все большее значение приобретает реакция (I.71) и количество перлита в структуре увеличивается.

После завершения процесса превращения аустенита (линия ИКП) структура получается перлитной с некоторым количеством феррита (П + Ф + Г или Ф + Г + Ц), и только после длительной выдержки происходит распад эвтектоидного цементита (линия МН) с образованием стабильной структуры Ф -f Г.

Схема изотермической диаграммы распада аустенита во всем температурном интервале ниже стабильной критической области представлена на рис 53. При медленном охлаждении, как видно из рис. 53 (линия AA), распад происходит в верхней ступени (720—500° С) с образованием перлитной структуры разной дисперсности. При быстром охлаждении (линия BB) распад происходит в нижней ступени при температуре около 200° С и ниже с образованием мартенсита. При средних скоростях охлаждения, в частности, при применении прерывистой закалки (линия CC) распад происходит в промежуточной области (450—300° С) с образованием бейнита или игольчатого троостита. В зависимости от того, происходит ли распад в верхней или нижней зоне, или в промежуточной области, различают структуры верхнего (перистого) и нижнего (игольчатого) бейнита. Скорость же процесса аустенитного превращения изменяется по S-образной (или более сложной) кривой: сначала она увеличивается, затем уменьшается.

Приведенные диаграммы (рис. 52 и 53) изображают длительность распада аустенита в изотермических условиях, когда скорость процесса строго определяется только кристаллизационными параметрами. В условиях непрерывного охлаждения кинетика этих процессов становится зависимой также от скорости теплоотвода, однако в данном случае вследствие небольшой величины теплоты превращения значение этого фактора невелико. Эти диаграммы поэтому в большей степени, чем соответствующие диаграммы эвтектического распада, могут служить основой для количественной оценки кинетики процесса в условиях непрерывного охлаждения, для чего существует ряд способов. В частности, для определения верхней критической скорости закалки с целью получения мартенситной структуры можно пользоваться формулой

где A1 — равновесная температура критической точки;

Tмин — температура минимальной стойкости аустенита (по изотермической диаграмме);

тмин — инкубационный период при минимальной стойкости аустенита (по изотермической диаграмме).

Процессы, протекающие после или одновременно с распадом аустенита, носят такой же характер, как и процессы в надкритической области. Это — выделение избыточных фаз (графита, цементита и др.) из феррита, распад цементита и процессы уменьшения поверхностной энергии системы (коалесценция, сфероидизация и коагуляция). Хотя количество избыточных фаз, выпадающих из феррита, весьма незначительно, но процессы эти могут играть иногда большую роль, как, например, при дисперсионном твердении или при охрупчивании пластичных чугунов, в частности, при образовании «белого излома» в ковком чугуне.

Еще большее значение имеют процессы графитизации и процессы уменьшения поверхностей энергии системы. Механизм этих процессов такой же, как в надкритической области, только диффузия происходит в этом случае через феррит, а не через аустенит. Особого внимания заслуживает сфероидизация эвтектоидного цементита, которая протекает с практически значимой скоростью в силу малой анизотропности этой фазы в отличие от графита, сфероидизация которого в обычных условиях незаметна. Сферондизация эвтектоидных карбидов происходит при определенной выдержке в подкритическом интервале тем скорее, чем выше температура и чем менее однороден по составу твердый раствор. Для ускорения процесса целесообразен предварительный переход через критический интервал с последующей выдержкой при температуре ниже критической. Ведение процесса сфероидизации возможно также путем многократных колебаний температуры около критического интервала. В этом случае процесс ускоряется за счет быстрого растворения острых граней карбидов в надкритической области и соответствующего отложения на плоских гранях в подкритической области. В результате этого получается так называемый зернистый перлит (рис. 51, д), обладающий большей пластичностью, чем пластинчатый перлит.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна