Превращения в аустените при непрерывном охлаждении. 
Мартенситное превращение

При изотермическом превращении аустенита характер образующихся продуктов его распада зависит от уровня температуры превращения. Однако при непрерывном охлаждении аустенита важным фактором, влияющим на свойства продуктов распада, является скорость охлаждения. Скорость охлаждения зависит от состава и свойств охлаждающей среды. В качестве охлаждающих сред используются вода, минеральное масло, воздух, водные растворы солей и щелочей, расплавы солей, синтетические жидкости и др.

При увеличении скорости охлаждения снижается температура распада аустенита на ферритно-цемептитную смесь и уменьшается время распада. При этом снижается интенсивность диффузионных процессов и увеличивается число зарождающихся в зернах аустенита центров, из которых вырастают зерна перлита, сорбита или троостита. Повышение скорости охлаждения приводит к уменьшению образующихся пластинок феррита и цементита, что способствует повышению твердости и прочности продуктов распада аустенита.

На рис. 6.9 схематически показано влияние скорости охлаждения на характер продуктов распада аустенита. Чем более круто проходит кривая охлаждения, тем больше скорость охлаждения: V_X23A.

При малой скорости охлаждения V_{ продуктом распада является перлит (П); при скорости V₂ — сорбит (С); при скорости V₃ — троостит (Т). Все перечисленные структуры относятся к семейству перлитов (феррито-цементитных смесей), а различаются они степенью дисперсности и физико-механическими свойствами. Однако на уровень физико-механических свойств продуктов распада аустенита влияют не только размеры зерен перлита, но и плотность образующихся при охлаждении дислокаций и уровень остаточных напряжений.

Рис. 6.9. Влияние скорости непрерывного охлаждения аустенита на характер продуктов распада (эвтектоидная сталь, С = 0,8%).

Остаточные напряжения в продуктах распада аустенита складываются из термических и фазовых напряжений. Термические напряжения возникают при изменении температуры сплава и возрастают с увеличением скорости охлаждения. Фазовые напряжения возникают в процессе превращения аустенита в другие структуры (фазы), различающиеся удельным объемом. Уровень фазовых напряжений также зависит от скорости охлаждения аустенита.

Таким образом, с увеличением скорости охлаждения увеличиваются плотность дислокаций, остаточные напряжения, что приводит к росту твердости и прочности продуктов распада аустенита. Так, если средняя твердость по Бринеллю перлита составляет 200 НВ, то твердость сорбита — 250 НВ, а троостита — 300 НВ.

Штриховой линией на рис. 6.9 показана критическая скорость охлаждения У_кр {критическая скорость закалки). При превышении этой скорости, например при скорости V₄, аустенит, переохлаждаясь, может превратиться в мартенсит (М) — перенасыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe". Превращение аустенита в мартенсит происходит в интервале температур М" — М_к (температур начала и конца мартенситного превращения).

Мартенситное превращение характеризуется огромной скоростью роста мартенситных кристаллов (более 1000 м/с). В процессе превращения кристаллы мартенсита многократно возникают и проскакивают под углом друг к другу. При наблюдении в микроскоп различается игольчатая форма кристаллов, а мартенсит вследствие этого называют игольчатым или игольчатой структурой. Высокая скорость роста мартенситных кристаллов приводит к росту плотности дислокаций (до 10¹³ см^-2), а следовательно, и к наклепу. В результате твердость мартенситной структуры высока и составляет примерно 1000 НВ, а его пластичность снижается практически до нуля.

Па рис. 6.9 была представлена схема влияния скорости охлаждения на характер превращения аустенита для эвтектоидной стали. Однако имеются отличия этого превращения для доэвтсктоидных и заэвтектоидных сталей. Стабильность аустенита снижается с уменьшением количества растворенного в нем углерода. Поэтому у доэвтектоидных сталей (С < 0,8%) более высокая критическая скорость закалки У_кр, что требует более резких закаточных сред. Если содержание углерода < 0,2%, то мартенситное превращение практически невозможно. Для доэвтектоидных сталей выступ С-образных кривых сдвигается влево и поднимается выше 550 °C. Одновременно с этим поднимаются температуры М" и М_к При содержании углерода до 0,5% значения температур М_п и М_к находятся выше 0 °C (рис. 6.10).

Для заэвтектоидных сталей (С > 0,8%) мартенситное превращение происходит в интервале более низких температур. При этом М", снижаясь, остается выше 0Х, а М_к переходит в область отрицательных температур (см. рис. 6.10).

Рис. 6.10. Влияние содержания углерода на температуры начала М_н и конца М_к мартенситного превращения.