Превращение перлита в аустенит.

Процесс превращения перлита в аустенит при нагреве в доэвтектоидной стали стали происходит следующим образом.

Сталь в межфазном состоянии представляет смесь фаз феррита и карбидов переменного состава Cr .При нагреве несколько выше критической точки Ас1 ( 700 С) на границе ферритной и цементитной фаз начинается превращение , приводящее к образованию низкоуглеродистого аустенита, в котором растворяется цементит (рис.5 б-г). Образующийся аустенит химически не однороден. Концентрация углерода в аустените на границе с цементитом значительно выше, чем на границе с ферритом.

Превращение  протекает быстрее, чем растворение цементита, поэтому когда вся - фаза (феррит) превращается в - фазу (аустенит), цементит ещё остаётся рис.5,д). После растворения всего цементита превращение заканчивается рис. (5,г), но образовавшийся аустенит имеет не равномерную концентрацию углерода, уменьшающуюся от центра к периферии зерна. Только после дальнейшего повышения температуры или дополнительной выдержки. Аустенит в результате диффузии углерода становится однородным по всему объёму.

Хром и никель понижают критическую точку Ас,  700 С и уменьшают склонность зерна аустенита к росту, поэтому легированная сталь 20ХН3А является наследственно мелкозернистой.

5.2. Распад переохлажденного аустенита.

Распад аустенита происходит при температуре ниже 700 С (критическая точка Ас1), когда свободная энергия выше свободной энергии продуктов его превращения. От степени переохлаждения зависит скорость превращения и строения продуктов распада. На рис.6 приведены режимы термической обработки стали 20ХН3А.

Рис.6. Диаграмма изотермического распада стали 20ХН3А.

Режимы охлаждения

V1 -- изотермический отжиг;

V2—закалка непрерывная;

Перлитное превращение. Распад аустенита с образованием перлита является диффузионным процессом и развивается в результате флуктуации состава( неоднородности в распределении углерода).

Как любой диффузионный процесс распад аустенита происходит путём возникновения зародышей (ч. з.) и роста их с определённой скоростью (с. р.).

В аустените, оказавшемся в неравновесном состоянии при температуре ниже А1, углерод диффундирует к наиболее дефектным местам кристаллической решётки, к местам скопления вакансий вблизи границ зёрен. Поэтому зародыши цементита образуются по границам зёрен аустенита.

Рост зародышей цементита происходит вследствие диффузии углерода из прилегающего аустенита, что приводит к обеднению углеродом аустенита, окружающего образовавшиеся пластинки цементита, и способствует превращению его феррит за счёт полиморфного превращения решётки Г.Ц.К. в О.Ц.К. Таким образом происходит рост перлитных колоний.

Структура стали 20ХН3А приведённая на рисунке 7:

Рис.7. Микроструктура стали 20ХН3А после изотермического отжига.

5.3. Мартенситное превращение.

При большом переохлаждении (вектор V2 ) углерод не успевает выделиться из из твердого раствора (аустенита) в виде частиц цементита, как это происходит при образовании перлита. Решётка -железа перестраивается в решётку -железа. Углерод остаётся внутри -железа, в результате чего получается пересыщенный твёрдый раствор углерода в -железе.

Значительное пересыщение -железа углеродом вызывает изменение объемно-центрированной кубической решётки в тетрагональную, Элементарной ячейкой которой является прямоугольный параллелепипед, рис.8:

Рис.8. Кристаллическая ячейка мартенсита.

Атомы углерода в такой ячейке располагаются в междоузлиях ( что характерно для твёрдого раствора внедрения) или в центре основания (сторона а), или в середине удлинённых рёбер (сторона с). Степень тетрагональности:

с/а=1.08

Мартенсит является перенасыщенным твёрдым раствором внедрения углерода в -железе.

Мартенситное превращение протекает ниже температуры 400 араллельных пластинок феррита и цементита характеризуется для всей перлитной области. неоднор С для стали 20ХН3А.

Для снятия внутренних напряжений в стали проводят отпуск при температуре 200-300 С.

При первом превращении из пересыщенного -раствора (мартенсит) выделяется углерод, поэтому тетрагональность решётки уменьшается и соотношение осей с/а приближается к единице. Содержание углерода в мартенсите снижается, он выделяется в виде мельчайших пластинок карбида железа, называемого  (эпсилан) — карбидом (FeхC), имеющем гексагональную решетку формулу, близкую с Fe2C.

Образовавшийся в результате первого отпуска мартенсит называется мартенситом отпуска. Он представляет собой смесь пересыщенного твёрдого раствора углерода в -железе неоднородной концентрации и карбида, ещё не полностью обособившегося от решётки мартенсита.

Рис.9. Микроструктура стали 20ХН3А после отпуска.