Общее представление о превращениях, протекающих в стали при нагреве, можно получить из диаграммы состояния. Фазовые превращения вызваны тем, что, вследствие изменившихся условий, в частности температуры, одно состояние оказывается менее устойчивым, чем другое.

Рассматривая структурные превращения стали следует отметить 3 основные структуры, а переход их из одной в другую характеризует основные превращения.

Этими структурами являются:

1. Аустенит – твердый раствор внедрения “С” в γ-Fe [Feγ (C)]

2. Мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения “С” в α-Fe [Fe_α(С)]

3. Перлит – эвтектоидная смесь из одновременно образующихся феррита (тв.раствор “С” в α-Fe) и цементита (карбида Fe₃С) [Fe_αC+Fe₃C]

В процессах термической обработки стали наблюдаются 4 основных превращения:

    1. Превращение перлита в аустенит:

    Feα+Fe₃C→Feγ(C) или Ф+Fe₃C→А

                            ^{0,02%С 6,67%С 0,8%С}

           Превращение протекает выше т. А₁ (727⁰С), выше температуры стабильного равновесия аустенит-перлит. При этих температурах из 3х основных структур аустенит обладает минимальной свободной энергией.

Превращение состоит из 2х одновременно протекающих процессов: полиморфного α→γ перехода и растворения в аустените цементита.

П-е основное превращение – это превращение аустенита в перлит:

Feγ(C) →Feα+Fe₃С, протекающее ниже т. А₁.

Ш-е превращение аустенита в мартенсит:

Feγ(C) →Feα(С)

Таким образом, температура начала и конца мартенситного превращения обуславливается химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже температура. Легирующие элементы, за исключением Co и Al, также понижают температуру.

Таким образом протекает мартенситное превращение при температуре ниже температуры метастабильного равновесия А→M.

Изменение свободных энергий аустенита Z_А, мартенсита Z_М и перлита Z_П с изменением температуры: 

Хотя при Т₀ более устойчив перлит, работа для образования мартенсита из аустенита меньше, чем для образования перлита. Поэтому ниже Т₀ образование перлита из аустенита может произойти только путем превращения аустенита в мартенсит, а затем уже мартенсита в перлит. Таким образом, аустенитно-мартенситное превращение в данном случае является промежуточным в процессе перехода аустенита в перлит.

ΙV превращение мартенсита в перлит, т.е. в феррито-карбидную смесь:

 Feα(C)→Feα +Fe₃C, происходит при всех температурах, т.к. свободная энергия мартенсита при всех температурах больше свободной энергии перлита.

Схема свободных энергий основных структур показывает, что выше Т₀ возможно превращение мартенсита в аустенит. Однако, экспериментально это не подтверждается, т.к. вероятно, раньше успевает произойти превращение М→П (распад мартенсита).

    4. Критические точки образования аустенита.

Нагрев стали при термической обработке в большинстве случаев имеет целью получение структуры аустенита.

Структура доэвтектоидной стали при нагреве до температуры Ас₁ [727⁰С перлитное или эвтектоидное превращение] состоит из зерен феррита и перлита.

Схема изменения структуры стали с содержанием 0,4%С при нагреве:

В т. Ас₁ начинается фазовая перекристаллизация перлита., который превращается в мелкозернистый аустенит. Фазовая перекристаллизация вызывается аллотропическим превращением решетки α-Fe перлита в γ-Fe аустенита. При нагреве от температуры Ас₁ до Ас₃ избыточный феррит растворяется в аустените. При температуре Ас₃ фазовая перекристаллизация заканчивается, и весь феррит оказывается растворенным в аустените.

Аналогичные превращения происходят в заэвтектоидной стали. При нагреве до температуры Ас₁ перлит превращается в мелкозернистый аустенит. Дальнейший нагрев приводит к растворению (вторичного) цементита в аустенит. Выше температуры Ас₃ и Ас_m будет только один аустенит.

 С дальнейшим повышением температуры происходит рост зерен аустенита всех сталей (доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной) в различной степенью интенсивности для разных сталей.

В процессе нагрева образующиеся зерна аустенита ориентируются в соответствии с исходной структурой, что приводит к текстурованности.

Последующая первичная рекристаллизация позволяет устранить текстурованность зерен аустенита и получить мелкозернистую структуру излома. Более высокий нагрев (вторичная рекристаллизация) ведет к сильному росту зерен аустенита.

Одновременно с процессом образования и роста зерна в аустените идет выравнивание концентрации углерода путем диффузии. Однако процесс диффузии в аустените протекает сравнительно медленно, требуя достаточной температуры и времени для выравнивания концентрации углерода по всему объему.

5. Механизм образования аустенита из перлита.

Образование аустенита из перлита в эвтектоидной стали; из перлита и феррита в доэвтектоидной; из перлита и карбидов в заэвтектоидной – типичный кристаллизационный процесс, подчиняющийся основным законам кристаллизации. Основной движущий силой процесса является стремление стали снизить запас своей свободной энергии.

Процесс состоит из зарождения центров кристаллизации аустенита и постепенного роста кристаллов вокруг этих центров.

*Первые участки аустенита появляются на границах зернышек цементита в феррите,

а в дальнейшем (2) участки аустенита увеличиваются. Это объясняется тем, что в пограничных областях между частицами цементита и ферритной основы сосредотачивается большое количество дислокаций, вакансий, атомов примесей и других несовершенств строения решетки. Кроме того, есть избыток свободной поверхностной энергии. Все это, наряду с близостью цементита, создает благоприятные условия для диффузии «С» и образования аустенита. Образовавшийся аустенит содержит около 0,8%С.

Скорость образования аустенита при заданной температуре нагрева стали зависит от 2х факторов: 1 – от разности свободной энергии зарождающегося аустенита и исходной структуры стали; 2 – от скорости диффузии атомов «С», необходимых для образования аустенита.

Повышение температуры резко увеличивает оба эти фактора и скорость образования аустенита. Образование аустенита при непрерывном нагреве происходит следующим образом:

1. Превращение перлита в аустенит протекает в некотором интервале температур.

2. Чем больше скорость нагрева, тем выше температуры, при которых протекает превращение перлита в аустенит, растворение карбидов и выравнивание неоднородности аустенита.

3. Чем больше скорость нагрева, тем быстрее протекает превращение перлита в аустенит.

Скорость образования центров кристаллизации аустенита зависит от измельченности частиц цементита в перлите и от формы этих частиц. В тонко пластинчатом перлите возникновение центров кристаллизации аустенита идет гораздо быстрее, чем в крупнопластинчатом.

При непрерывном нагреве даже небольшое превышение т. Ас₁ (727 ºС вызывает возникновение в мелкопластинчатом перлите большого числа центров кристаллизации аустенита. В зернистом перлите, где поверхность частиц цементита относительно меньше, чем в пластинчатом одинаковой измельченности, процесс возникновения центров кристаллизации аустенита идет медленнее.

Образование аустенита в изотермических условиях, как и всякий типичный кристаллизационный процесс, сначала идет с возрастающей скоростью, затем скорость становится постоянной, и, наконец, уменьшается, постепенно затухая.

При повышении температуры изотермической выдержки скорость образования аустенита резко возрастает.

После окончания процесса аустенит получается неоднородным, т.е. концентрация «С» в различных его участках оказывается неодинаковой. В местах, где располагался цементит, содержание «С» в аустените будет больше, чем в местах, где находится феррит. Для выравнивания состава аустенита по всему объему требуется добавочное время.