Превращения в железе и стали

В монографии показаны развитие и современное состояние представлений о процессах закалки и отпуска стали, основных превращениях аустенита при охлаждении (мартенситном, перлитном, бейнитном), структуре и субструктуре мартенсита, связи структуры и механических свойств стали, роли углерода и легирующих элементов. Книга рассчитана на широкий круг научных работников и инженеров — специалистов в областях физики твердого тела, металлофизики, металловедения, металлургии, преподавателей и студентов физических, металлургических, химических и машиностроительных вузов.

Одна из важнейших задач физического металловедения — изучение фазовых превращений, с помощью которых можно широко регулировать структуру и свойства сплавов, в том числе сплавов на основе железа.

В настоящей монографии изложены экспериментальные данные и физические основы современных представлений об основных превращениях аустенита при охлаждении — мартенситном, перлитном и промежуточном (бейнитном), о процессах перераспределения углерода в мартенсите и отпуска закаленной стали, о структуре и свойствах продуктов превращений. Из фазовых превращений при нагреве затронуты лишь превращения при отпуске и обратное мартенситное, поскольку другие детально рассмотрены в ряде отечественных работ.

Авторы надеются, что книга не только содержит информацию о развитии и современном состоянии основных идей и представлений, но и сможет стимулировать дальнейшие исследования в области физического металловедения железа и стали.

Авторы благодарны А. Л. Ройтбурду за большую помощь в подготовке главы 3; О. П. Максимовой, Л. И. Коган, Г. Д. Сухомлину, М. П. Усикову и В. И. Иконникову за предоставление еще неопубликованных материалов, использованных при написании книги; Л. К. Михайловой, О. В. Маркович, В. К. Беляеву, Г. Л. Ивановой, Т. М. Климовой, И. Ю. Панариной и Т. Г. Валовой за помощь в оформлении рукописи.

Основная задача металловедения — установление закономерных связей между внутренним строением металлов и сплавов и их механическими, физическими и химическими свойствами.

Под внутренним строением в широком смысле слова понимают атомнокристаллическую структуру составляющих фаз и ее несовершенства, микроструктуру (форму и дисперсность кристаллов отдельных фаз и их взаимное распределение), микро- и макрораспределение легирующих элементов и примесей — от сегрегаций на дислокациях до дендритной ликвации.

Фазовые превращения — основное явление, используемое для изменения структуры металлов и сплавов в различных стабильных или метастабильных состояниях, которым отвечают разнообразные свойства материалов.

Многообразие свойств сталей (сплавов «железо—углерод—легирующие элементы») определяется в решающей степени превращениями аустенита — перлитным, промежуточным (бейнитным), мартенситным, условиями их протекания, механизмом и кинетикой. Поэтому исследования превращений аустенита направлены на установление связи между состоянием исходной фазы — аустенита (состав, зеренная и внутризеренная структура), температурным интервалом и давлением, при которых происходит превращение, его механизмом и кинетикой и, наконец, результатами превращений — конечной структурой и свойствами стали.

Существенную роль в формировании конечной структуры и свойств сталей играют процессы отпуска, приводящие к блокировке дислокаций атомами углерода, распаду твердого раствора (мартенсита, бейнита, остаточного аустенита), выделению и коагуляции различных карбидных фаз, релаксации напряжений, изменению дислокационной структуры матрицы.

Развитие учения о превращениях аустенита берет начало с выдающихся открытий Д. К. Чернова и имеет уже более чем вековую историю. Д. К. Чернов впервые указал на связь превращений в стали при нагреве и охлаждении с критическими точками. Научное предвидение позволило ему связать эти превращения с возможными изменениями взаимного расположения атомов в кристаллической решетке. Чернов писал, что понимание механизма превращений требует «...установления основных понятий о силах, действующих в природе... В различные моменты обработки стали мы встречаемся с явлениями света, электричества, магнетизма, с термическими явлениями и силами молекулярного сцепления...» [1]. Так была подчеркнута тесная связь науки о металлах с общими законами естествознания — физики и химии, связь, которая в наше время стала основной тенденцией развития металловедения.

Исследования превращения аустенита в условиях непрерывного охлаждения в конце XIX и первой четверти ХХ в. (Портевен, Шевенар, Эссер, Маслов и др.) показали, что с увеличением скорости охлаждения понижаются критические точки превращений, степень этого понижения зависит от легирования; при определенном переохлаждении наблюдается раздвоение критической точки, а в некоторых легированных сталях — и три критические точки. Хотя эти исследования и позволили установить ряд важных закономерностей, способ изучения превращений аустенита при непрерывном охлаждении имел существенные недостатки: он не позволил четко разграничить температурные интервалы различных по механизму превращений аустенита и детально исследовать их особенности.

Использование в многочисленных работах начиная с 1929—1930 гг. изотермического метода исследования привело к установлению закономерностей кинетики превращений переохлажденного аустенита.

Важнейшие исследования кинетики превращений аустенита в последующие годы были проведены С. С. Штейнбергом, В. Д. Садовским, Н. А. Минкевичем, И. Л. Миркиным, М. Е. Блантером, А. П. Гуляевым, Б. Я. Любовым, А. С. Завьяловым, Л. Э. Певзнер, Н. Н. Сиротой, И. Е. Конторовичем, А. А. Поповым, Л. С. Палатником и др. в нашей стране; Давенпортом и Бейном, Мейлем и др. в США; школой Вефера в Германии, Портевена во Франции, Хультгрена в Швеции и др.

Были установлены, особенно для сталей, легированных карбидообразующими элементами, четко разделенные три температурные области превращения переохлажденного аустенита — перлитная, промежуточная (бейнитная) и мартенситная [2]. Механизмы и кинетика этих превращений существенно различаются.

Перлитное превращение характеризуется наличием инкубационного периода, в течение которого не наблюдается существенных признаков превращения; при достаточно длительной выдержке превращение идет до полного распада аустенита. Длительность инкубационного периода во многих сталях имеет минимум при температурах 500—650° С; выше и ниже этой температуры она возрастает. Типичной является структура пластиночного перлита и доэвтектоидного полиэдрического феррита.

Мартенситное превращение начинается по достижении определенной температуры практически мгновенно; эта температура в большинстве случаев не зависит от скорости охлаждения. Мартенситное превращение не идет до конца и останавливается, когда значительная доля аустенита остается еще непревращенной. С понижением температуры степень превращения растет.

Промежуточное (бейнитное) превращение характеризуется наличием инкубационного периода (как и перлитное) и неполнотой превращения (как мартенситное).

Легирование различными элементами в разной степени изменяет кинетику (продолжительность инкубационного периода и скорость превращения) перлитного и промежуточного превращений, температуру начала и температурный ход мартенситного превращения.

Представления о механизме этих превращений основывались длительное время на различиях в кинетике и оставались в значительной мере гипотетическими.

Особенно большую дискуссию вызывал вопрос о природе мартенсита. Высказывались различные предположения, в частности предположение о том, что мартенсит — это неустойчивый твердый раствор углерода в смеси железа альфа и гамма или что мартенсит — это высокодисперсная смесь феррита и карбида железа.

Применение рентгеноструктурного анализа позволило решить этот вопрос. В работе Н. Я. Селякова, Г. В. Курдюмова и Н. Т. Гудцова [3] было показано, что мартенсит представляет собой твердый раствор углерода в железе и имеет объемно-центрированную тетрагональную кристаллическую решетку. Было установлено, что отношение осей (с/а) кристаллической решетки мартенсита не зависит от температуры закалки (если закалку производят из однофазной области аустенита) и от скорости охлаждения (если она достаточна для предотвращения распада аустенита);

степень тетрагональности определяется лишь содержанием углерода в аустените и непрерывно возрастает с увеличением его содержания. Эта однозначная связь между параметрами кристаллической решетки мартенсита и содержанием углерода в исходном аустените, независимость их от скорости охлаждения привели к заключению, что мартенсит содержит углерода в растворе столько, сколько его было растворено в аустените. Поэтому можно было характеризовать мартенситное превращение как бездиффузионное, происходящее без изменения концентрации твердого раствора. «...Превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные. Очень существенна закономерность перестройки. Эта закономерность состоит в том, что атомы могут перемещаться только в определенных направлениях по отношению к своим соседям, в результате таких правильных перемещений в одну и ту же сторону получается сдвиг» [4, с. 9—44].

Таким образом, основные особенности мартенситного превращения заключаются в бездиффузионном характере его, наличии строгой кристаллогеометрической связи между решетками мартенсита и исходного аустенита, в распространении превращения на широкую температурную область и быстром затухании превращения при остановке охлаждения, в невозможности задержки превращения ниже Мн.

В дальнейшем были установлены: обратимость мартенситных превращений во многих сплавах при охлаждении и нагреве; возможность изотермического превращения аустенита в мартенсит при достаточно низких температурах и образования «упругих» кристаллов мартенсита и термоупругого равновесия при мартенситных превращениях; возможность полиморфных переходов высокотемпературной модификации в низкотемпературную (в железе γ → α) путем неупорядоченных перемещений отдельных атомов или путем закономерной кооперативной перестройки; изменение кристаллической структуры стали при отпуске. Упорядоченный кооперативный характер перестройки решетки при мартенситном превращении привел также к заключению, что в процессе превращения существует упругая связь между фазами, имеется непрерывный переход от решетки исходной фазы к решетке образующейся («когерентность») [3—5].

Последние два десятилетия характеризуются все более глубоким проникновением в механизм превращений аустенита.

При анализе этих превращений с точки зрения общей теории фазовых превращений необходимо учитывать особенности твердого состояния. Сильное межатомное взаимодействие вызывает возникновение полей напряжений при превращениях. Стремление системы снизить упругую энергию приводит в действие различные релаксационные механизмы, которые оказывают влияние на объем, форму, ориентировку, взаимное расположение и внутреннюю структуру кристаллов новой фазы. При этом, естественно, проявляется и анизотропия среды, и наличие дефектов кристаллического строения, и присутствие примесей.

Кинетика превращений аустенита и условия возникновения новых состояний связаны с такими факторами, как подвижность атомов, степень структурного и химического соответствия исходных и образующихся фаз. Однако обязательным условием возникновения тех или иных фаз является уменьшение свободной энергии системы. При сравнительно малом термодинамическом стимуле (малое переохлаждение или пересыщение) некоторые метастабильные фазы не могут возникнуть, несмотря на их большую близость по структуре и составу к исходной. Если по термодинамическим условиям возможно образование различных фаз с относительными минимумами свободной энергии, то реализуются те состояния, которые возникают с большей скоростью. Кинетика превращений при этом определяется термодинамическим стимулом (т. е. степенью отклонения системы от равновесия) и соотношением состава и структуры образующихся фаз, подвижностью атомов, вероятностью образования необходимых флуктуаций, энергией образования поверхности раздела и, наконец, специфической для твердого тела объемной упругой энергией, связанной с возникновением кристалла новой фазы. Термодинамические и кинетические условия возникновения фаз находятся, таким образом, в неразрывной связи.

Важная особенность сплавов системы железо — углерод заключается в резко различной диффузионной подвижности металлических атомов и атомов углерода. Значения коэффициентов диффузии углерода в аустените на 4—5 порядков больше, чем коэффициентов диффузии (самодиффузии) металлических атомов. При распаде аустенита диффузионное перераспределение углерода и легирующих элементов сочетается с переходом атомов растворителя (железа) из одной кристаллической решетки в другую. Перераспределение углерода и легирующих элементов связано с перемещением атомов на значительные расстояния; второй же процесс сводится к перестройке кристаллической решетки на границе раздела фаз, что может осуществляться как индивидуальными, так и кооперативными перемещениями атомов. Эти особенности сплавов системы железо—углерод обусловливают возможность возникновения различных типов превращений переохлажденного аустенита: перлитного, бейнитного и мартенситного.

Сильное влияние на кинетику превращений аустенита оказывает легирование. Оно может изменять как термодинамические стимулы превращения (отклонение от равновесия), так и собственно кинетические факторы (подвижность атомов). В связи с этим могут возникать различные метастабильные состояния. Легирующие элементы могут существенно понизить скорость распада аустенита в перлитной и бейнитной областях, изменить температурный интервал мартенситного превращения, скорость распада мартенсита при отпуске и коагуляции карбидов и т. д. Кинетика распада аустенита и мартенсита, дисперсность, форма и распределение выделений зависят от состава основного твердого раствора и выделяющейся фазы.

Легирование приводит к изменению свойств стали через изменение состава фаз (твердые растворы, карбид), появление новых фаз (карбидных, интерметаллидных), фиксацию метастабильных состояний, изменение формы, дисперсности и распределения структурных составляющих, изменение состава и состояния областей у границ зерен. В твердых растворах происходит химическое взаимодействие разнородных атомов между собой и (особенно углерода) с несовершенствами кристаллического строения с образованием сегрегаций («атмосфер»).

Сильное деформационное взаимодействие атомов углерода и механизм мартенситного превращения регулируют, как это показано в последние годы, распределение углерода в кристаллической решетке мартенсита и тем самым влияют на степень ее тетрагональности или даже ромбичности.

Различные воздействия (упругая и пластическая деформация, высокие давления, облучение частицами высоких энергий и др.) оказывают существенное влияние на фазовые равновесия и кинетику превращений, с одной стороны, и реальную структуру их продуктов — с другой.

Высокие давления, в частности, изменяют кинетику превращений аустенита — наблюдается торможение перлитной и бейнитной реакций, увеличение межпластиночного расстояния в перлите, изменение температурного интервала мартенситного превращения и др. Пластическая деформация аустенита при определенных условиях может вызвать также торможение бейнитного превращения и ускорение перлитного. Пластическая деформация в ходе перлитного превращения вызывает образование полигональной субструктуры феррита и сфероидизацию цементита. При определенных параметрах деформации изменяется величина зерна аустенита и его субструктура, которые в известной мере определяют структуру и субструктуру продуктов превращения. Пластическая деформация мартенсита и последующее старение приводят к блокировке дислокаций атомами углерода. Облучение ядерными частицами вызывает изменение тетрагональности мартенсита. Скоростной нагрев при аустенитизации может привести к образованию сверхмелкого зерна аустенита и, следовательно, продуктов его превращения.

В настоящее время в технике используют стали со структурой феррита, феррита с перлитом, перлита, бейнита и мартенсита. Разработаны процессы, включающие пластическую деформацию аустенита с последующим его превращением в мартенсит, пластическую деформацию в ходе перлитной, бейнитной реакции и мартенситного превращения, пластическую деформацию мартенсита с последующим старением. Разработаны низкоуглеродистые мартенситно-стареющие и мартенситные стали.

Новые практические достижения металловедения все в большей мере базируются на результатах фундаментальных экспериментальных и теоретических исследований превращений в железе и стали.

Возможности исследования превращений аустенита и строения исходной фазы и продуктов превращения аустенита в последние 20 лет значительно возросли в связи с огромным расширением методических возможностей. Кроме рентгеноструктурного анализа, для детального изучения структуры широко используется дифракционная электронная микроскопия, методы внутреннего трения, калориметрии, а также микрорентгеноспектральный анализ, ионная микроскопия и т. д. Современная методическая вооруженность позволяет изучать изменения строения металлов и сплавов в самых различных масштабах — от макро- до атомных.