Температуры и фазы превращений стали

Что на самом деле означают температуры превращения

Температура превращения стали — это не универсальное число, напечатанное рядом с обозначением марки. Она представляет собой границу или наблюдаемое событие, зависящее от состава, термической предыстории, размера образца, скорости нагрева или охлаждения, а также от механизма, посредством которого одна структура превращается в другую. Указанная температура может описывать равновесное состояние, начало реакции при нагреве, начало реакции при охлаждении или момент, когда конкретный метод измерения фиксирует изменение. Это взаимосвязанные величины, но они не являются взаимозаменяемыми.

Фаза — это физически обособленная структура с определённым кристаллическим строением и диапазоном составов. В стали аустенит (γ) имеет гранецентрированную кубическую решётку, феррит (α) — объёмноцентрированную кубическую решётку, а цементит представляет собой орторомбический Fe₃C, как описано Кембриджским университетом в работе Интерпретация микроструктуры сталей (2008). Структурная составляющая — это микроструктурная группировка, которая может содержать более одной фазы. Например, перлит является структурной составляющей, состоящей из феррита и цементита. Продукт превращения — это структура, образовавшаяся из исходной фазы: перлит, бейнит, мартенсит, доэвтектоидный феррит и доэвтектоидный цементит являются основными продуктами, выделяемыми в трактовке превращений аустенита, принятой ASM.

Остаточный аустенит

Это различие важно, поскольку температура может обозначать исчезновение фазы, не определяя конечную структурную составляющую. При содержании углерода приблизительно 0,8 мас.% и температуре 723 °C аустенит претерпевает эвтектоидную реакцию γ → α + Fe₃C, согласно материалу Кембриджского университета по системе Fe–C (2002). Это уравнение определяет равновесные продукты — феррит и цементит. Оно не означает, что каждая сталь с содержанием углерода около 0,8 мас.% образует одну и ту же структуру ровно при 723 °C в ходе реального печного цикла.

Равновесные границы и практические критические температуры

Равновесные обозначения описывают то, что термодинамически устойчиво, когда системе предоставлено достаточно времени для приближения к равновесию. Ae1 — равновесная эвтектоидная температура: граница, при которой аустенит и смесь феррита с цементитом могут сосуществовать при заданных составе и давлении. Ae3 — верхняя равновесная граница аустенита в доэвтектоидной стали, отделяющая область аустенита от области аустенита и феррита. Aecm — соответствующая верхняя граница для заэвтектоидной стали, отделяющая область аустенита от области аустенита и цементита. Нижний индекс «e» указывает на равновесное состояние.

Указывают обозначение стали, а также содержание углерода и легирующих элементов. Strong evidence

Рабочие температуры обычно записывают с использованием другой системы обозначений. Ac1 и Ac3 относятся к температурам превращения, наблюдаемым при нагреве; Ar1 и Ar3 — к температурам, наблюдаемым при охлаждении. Буквы «c» и «r» указывают на условия нагрева и охлаждения, а не на новые равновесные фазы. При нагреве аустенит может начать образовываться только после превышения Ae1, поскольку зарождение и диффузия требуют времени. При охлаждении феррит, перлит или цементит могут появиться лишь после того, как температура стали опустится ниже равновесной границы, поскольку для реакции необходимо переохлаждение. ASM International сообщает, что при медленном охлаждении критические температуры при нагреве могут быть примерно на 33 °C выше, чем при охлаждении (2024). Эта разница представляет собой гистерезис, а не ошибку на фазовой диаграмме.

Состав также смещает эти границы. Углерод изменяет устойчивость аустенита и температуры, при которых могут образовываться феррит, перлит, цементит и мартенсит. Легирующие элементы смещают границы и изменяют скорости реакций; например, кремний повышает диапазон температур превращения, снижает растворимость углерода в аустените и способствует распаду карбида железа. Даже эталонные характеристики чистого железа зависят от температуры: Кембриджский университет указывает для гранецентрированного кубического аустенита диапазон приблизительно 910–1400 °C, а температуру плавления — приблизительно 1539 °C (2005). Поэтому марка стали не может унаследовать от чистого железа одну фиксированную «температуру аустенитизации».

Нагрев, охлаждение, изотермическая выдержка и непрерывное охлаждение

Нагрев, охлаждение и выдержка ставят разные вопросы. При нагреве важно определить, когда феррит и цементит растворяются в достаточной степени для образования аустенита. Из-за тепловой инерции температура печи, температура поверхности и температура в сердцевине массивной детали могут существенно различаться. Показание пирометра может пересечь Ac1, в то время как центральная часть детали ещё не достигла этой температуры. Поэтому размер сечения изменяет эффективный тепловой путь даже при одинаковом номинальном режиме печи.

При охлаждении путь реакции определяет продукт превращения. Медленное охлаждение приводит к диффузионно-контролируемым продуктам реконструктивного типа, таким как доэвтектоидный феррит и перлит, позволяя атомам углерода и железа перераспределяться. Более быстрое охлаждение подавляет эти реакции и может привести к образованию бейнита или мартенсита. Кембриджский университет описывает рост бейнита как бездиффузионный по отношению к решётке железа и термодинамически возможный ниже температуры T₀, при которой свободная энергия бейнита ниже, чем свободная энергия аустенита того же состава. Мартенситное превращение является сдвиговым и практически бездиффузионным: для его образования углероду не требуется перемещаться на большие расстояния, хотя содержание углерода существенно влияет на температуру начала превращения мартенсита.

Изотермическое превращение предполагает выдержку аустенита при одной выбранной температуре после быстрого охлаждения до этой температуры. TTT-диаграмма — диаграмма время–температура–превращение — показывает, когда начинается и заканчивается образование продуктов в таких условиях выдержки. Её С-образные кривые отражают зависящие от времени реакции, такие как образование перлита и бейнита, тогда как температура начала мартенситного превращения, Ms, характеризует атермическое превращение, определяемое главным образом достигнутой температурой, а не временем инкубационного периода. Mf — температура окончания мартенситного превращения, однако охлаждение может прекратиться выше Mf, оставив остаточный аустенит. Кембриджский университет сообщает, что углерод влияет на Ms, Mf и долю остаточного аустенита (2012).

CCT-диаграмма, напротив, фиксирует превращение при непрерывном охлаждении. Скорость охлаждения определяет, какие кривые начала превращения будут пересечены и как долго сталь будет находиться в каждом диапазоне реакций. В работе NIST Характеристики превращений при непрерывном охлаждении стали SAE 1141 (1990) показано, что CCT-диаграмма позволяет оценивать прокаливаемость и прогнозировать микроструктуру при комнатной температуре, прочность, твёрдость, обрабатываемость и усталостные свойства. Поэтому значение, полученное по CCT, не является заменой значения Ae. Равновесные границы описывают допустимую устойчивость фаз; TTT- и CCT-диаграммы описывают, когда реальные продукты превращения появляются на конкретных путях изменения температуры.

Железо–углеродная система: фазы, кристаллические структуры и области

Диаграмма железо–углерод представляет собой карту равновесия, а не таблицу температур. Ее области показывают, какие фазы термодинамически устойчивы при определенных составе и температуре, если предположить наличие достаточного времени для диффузии. Реальная сталь часто проходит иной путь: скорости нагрева и охлаждения смещают температуры превращений, легирующие элементы изменяют устойчивость фаз, а быстрое охлаждение может подавлять продукты, формирование которых контролируется диффузией. Поэтому один и тот же номинальный сорт стали в зависимости от его термической истории может содержать феррит, перлит, бейнит, мартенсит, остаточный аустенит или смеси этих структур.

Диаграмма также различает фазу, структурную составляющую и продукт превращения. Феррит, аустенит и цементит являются фазами. Перлит представляет собой двухфазную структурную составляющую. Бейнит и мартенсит являются продуктами превращения, структура и состав которых зависят от способа распада аустенита.

Феррит, аустенит и цементит

Феррит, условно обозначаемый в данном контексте как α, представляет собой твердь раствор на основе железа с объемно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической структурой. Растворимость углерода в ОЦК-феррите очень низка, поскольку доступные межузельные позиции малы и плохо подходят для размещения атомов углерода. При обычных температурах низкоуглеродистые стали обычно содержат феррит в качестве непрерывной или матричной фазы. Относительно низкое содержание углерода и ОЦК-решетка помогают объяснить его меньшую твердость по сравнению с мартенситом.

Аустенит, обозначаемый как γ, имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую структуру. ГЦК-решетка предоставляет более крупные и более благоприятные межузельные позиции, поэтому она растворяет значительно больше углерода, чем феррит. Эта способность удерживать углерод имеет центральное значение для термической обработки стали: аустенизация направлена на введение углерода в γ-фазу до охлаждения, которое определяет, образуются ли перлит, бейнит, мартенсит или другая смесь.

Для чистого железа в материале Кембриджского университета Stainless Steels: Phase Equilibria (2005) температура существования ГЦК-аустенита указана примерно в диапазоне 910–1400 °C. Этот интервал относится к чистому железу, а не является универсальным диапазоном для стали. Чистое железо плавится примерно при 1539 °C, тогда как углерод и легирующие добавки смещают границы фазовых областей и температуры превращений.

Цементит, Fe₃C, представляет собой карбид железа с орторомбической кристаллической структурой. Это фаза-соединение, содержащая примерно 6,67 % углерода по массе — значительно больше, чем общее содержание углерода в обычных конструкционных сталях. Цементит тверд и хрупок, а его количество, форма, расстояние между частицами и непрерывность существенно влияют на механическое поведение материала. В источнике Кембриджского университета Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) непосредственно указаны три структуры: аустенит имеет ГЦК-структуру, феррит — ОЦК-структуру, а цементит — орторомбическую структуру Fe₃C.

Эти обозначения описывают кристаллические структуры, а не просто внешний вид в микроскопе. Зерно феррита является одной фазой, даже если содержит дефекты или небольшие концентрации растворенных элементов. Частицы цементита в феррите остаются отдельной фазой, поскольку их состав и кристаллическая структура отличаются.

Эвтектоидный состав и реакция[1][1] Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2002.

Полезным примером для систематизации является эвтектоидная точка. В материале Кембриджского университета Materials Science & Metallurgy (2002) для реакции

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}.$$

указаны приблизительно 0,8 % углерода по массе и температура 723 °C.

Оба значения являются приближенными и зависят от источника. В опубликованных диаграммах могут приводиться несколько иные величины из-за различий в исходных состояниях, экспериментальных данных, допущениях относительно сплава или используемого соглашения при определении критической температуры. Сама нотация важнее, чем трактовка значений 0,8 % углерода и 723 °C как точных постоянных.

При эвтектоидном составе аустенит при понижении температуры через равновесную эвтектоидную температуру превращается в феррит и цементит. При подходящих условиях охлаждения эти фазы формируют чередующиеся пластины, или ламеллы, называемые перлитом. Перлит не является третьей кристаллической структурой и не представляет собой единую фазу. Каждая ферритная ламелла имеет ОЦК-структуру, а каждая цементитная ламелла — орторомбическую структуру Fe₃C. Структура колонии является продуктом превращения или структурной составляющей, образованной в результате согласованного роста двух фаз.

Скорость охлаждения изменяет межпластинчатое расстояние, а иногда и сам продукт превращения. Медленное охлаждение позволяет углероду диффундировать на большие расстояния и обычно приводит к образованию относительно крупнопластинчатого перлита. Более быстрое охлаждение может привести к формированию мелкодисперсного перлита, бейнита или, если диффузия в значительной степени предотвращена, мартенсита. ASM International относит к основным продуктам, образующимся из аустенита, перлит, бейнит, мартенсит, доэвтектоидный феррит и доэвтектоидный цементит.[2][2] Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. National Institute of Standards and Technology. NIST Interagency Report, 1990.

Именно поэтому выражение «температура превращения стали» является неполным. Равновесная диаграмма дает такие значения, как Ae₁ — равновесную эвтектоидную температуру, тогда как при нагреве и охлаждении возникают температуры Ac и Ar, которые могут различаться. В материале ASM Critical Temperature Ranges (2024) отмечается, что при медленном охлаждении критические температуры при нагреве могут быть примерно на 33 °C выше, чем при охлаждении. Диаграммы изотермического превращения описывают выдержку при выбранной температуре; диаграммы превращения при непрерывном охлаждении (CCT) описывают непрерывное охлаждение без выдержки. Исследование NIST Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) показывает, как диаграмма CCT может использоваться для оценки прокаливаемости и прогнозирования микроструктуры при комнатной температуре, прочности, твердости, обрабатываемости и усталостных свойств.

Кремний служит дополнительным предостережением против использования фиксированных значений. ASM сообщает, что кремний повышает диапазон температур превращения, снижает растворимость углерода в аустените и способствует диссоциации карбида железа. Состав изменяет фазовые области еще до начала нагрева в печи.

Доэвтектоидный феррит и доэвтектоидный цементит

Стали с содержанием углерода ниже эвтектоидного состава называются доэвтектоидными сталями. При охлаждении аустенита феррит образуется первым, еще до того, как оставшийся аустенит достигнет эвтектоидного состава. Этот ранний феррит называется доэвтектоидным ферритом. При эвтектоидной температуре остаточный аустенит затем превращается в перлит. Поэтому конечная структура доэвтектоидной стали обычно содержит доэвтектоидный феррит и перлит, хотя скорость охлаждения и легирование могут привести к появлению бейнита или мартенсита.

Стали с содержанием углерода выше эвтектоидного состава называются заэвтектоидными сталями. Цементит образуется из аустенита первым, обычно вдоль границ бывших аустенитных зерен или в других благоприятных местах. Это доэвтектоидный цементит. Оставшийся аустенит приобретает эвтектоидный состав и при дальнейшем охлаждении превращается в перлит. Образовавшаяся структура обычно содержит доэвтектоидный цементит и перлит.

Термин «доэвтектоидный» означает «образовавшийся до эвтектоидной реакции», а не «образовавшийся до существования аустенита». Оба продукта образуются из аустенита при охлаждении. Их количество зависит от состава и пути прохождения через фазовые области, тогда как морфология зависит от зарождения, диффузии, размера зерна и скорости охлаждения. Если охлаждение происходит достаточно быстро, эвтектоидный распад может быть обойден. В материале Кембриджского университета о микроструктуре стали (2008) эти реконструктивные реакции, контролируемые диффузией, противопоставлены сдвиговым превращениям; мартенсит может образовываться без дальнодействующей химической диффузии, необходимой для формирования перлита. Углерод также влияет на температуры начала и конца мартенситного превращения и на долю остаточного аустенита, что отмечено в материале Кембриджского университета Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012).

Образование аустенита при нагреве

Аустенит не появляется при какой-то одной универсальной температуре. Его образование зависит от содержания углерода, легирующих добавок, скорости нагрева, времени выдержки и исходной феррито-перлитной или отпущенной структуры. Сам аустенит представляет собой гранецентрированную кубическую модификацию γ-железа; феррит — объемноцентрированную кубическую модификацию α-железа, тогда как цементит имеет орторомбическую структуру Fe₃C, как описано в материале Кембриджского университета Интерпретация микроструктуры сталей (2008). Нагрев изменяет как кристаллическую структуру, так и распределение углерода между этими фазами.

Обозначения Ac1, Ac3 и Accm описывают практические критические температуры, измеренные или наблюдаемые при нагреве. Буква «c» указывает на нагрев, а цифра «1» обозначает начало образования аустенита. Следовательно, Ac1 — это температура, при которой аустенит впервые образуется из феррита и перлита либо из перлита и цементита в заэвтектоидной стали. Ac3 — температура, при которой исчезает последний проэвтектоидный феррит в доэвтектоидной стали. Accm — соответствующая верхняя граница для заэвтектоидной стали: выше этой температуры цементит уже растворился, и структура становится полностью аустенитной, за исключением нерастворившихся легированных карбидов.

Эти обозначения не следует отождествлять с Ae1, Ae3 и Aecm. Обозначения Ae относятся к равновесным условиям, при которых соотношение фаз может изменяться за счет диффузии при заданных составе и температуре. Значения Ac описывают реальный путь нагрева, поэтому они меняются в зависимости от скорости нагрева, размера образца, исходного состояния и метода измерения. ASM International указывает, что при медленном охлаждении критические температуры при нагреве могут быть примерно на 33 °C выше, чем соответствующие значения при охлаждении (Критические температурные интервалы, 2024). Поэтому опубликованное значение Ac1 или Ac3 должно быть связано с составом стали и условиями испытания.

Пересечение Ac1, Ac3 и Accm

В доэвтектоидной стали, например в типичной низкоуглеродистой конструкционной стали, исходная структура обычно содержит феррит и перлит. Вблизи эвтектоидного состава перлитные колонии начинают превращаться при Ac1. При содержании углерода около 0,8 мас. % и температуре 723 °C равновесная эвтектоидная реакция имеет вид γ → α + Fe₃C, согласно материалам Кембриджского университета Материаловедение и металлургия (2002). При нагреве эта реакция протекает в обратном направлении: феррит и цементит в составе перлита расходуются на образование аустенита.

Превращение не происходит в виде идеально резкой границы. Аустенит зарождается на границах раздела феррит–цементит, на границах перлитных колоний и в других участках с высокой энергией. Затем он разрастается в окружающий феррит. Поскольку углерод диффундирует через аустенит значительно быстрее, чем замещающие легирующие элементы, на ранней стадии концентрация углерода становится неоднородной. Последний феррит растворяется только по мере повышения температуры к Ac3. Ниже Ac3 смесь состоит из аустенита и проэвтектоидного феррита; выше Ac3 матрица представляет собой аустенит.

Заэвтектоидная сталь проходит другой путь. Перлит превращается после Ac1, однако проэвтектоидный цементит сохраняется по границам бывших аустенитных зерен или внутри структуры. Аустенит не формируется полностью, пока температура не превысит Accm и цементит не растворится в достаточной степени. Поэтому нагрев немного выше Ac1 может оставить аустенит со значительной долей цементита. Называть такое состояние «полностью аустенитизированным» неправильно.

Для чистого железа данные Кембриджского университета о фазовых равновесиях определяют интервал существования гранецентрированного кубического аустенита примерно от 910 до 1400 °C, а температуру плавления — около 1539 °C. Сталь не подчиняется этим пределам, установленным для чистого железа: углерод и легирующие элементы смещают границы фаз, а промышленный нагрев часто происходит в условиях, далеких от равновесных. Практический вопрос состоит не просто в том, достигла ли печь указанной в таблице температуры. Важно, успели ли необходимые фазы преобразоваться по всему сечению детали.

Растворение углерода и перераспределение карбидов

Углерод должен выйти из цементита и продиффундировать через растущий аустенит. Мелкодисперсная перлитная структура обычно превращается быстрее, чем крупнопластинчатый перлит, поскольку в ней больше суммарная площадь границ раздела феррит–цементит и короче диффузионные расстояния. Предшествующая холодная деформация, размер зерна, ликвация и предыдущая термическая обработка отпуском также изменяют количество центров зарождения и скорость растворения.

После Ac1 вновь образовавшийся аустенит может содержать меньше углерода, чем предусмотрено равновесием при данной температуре, тогда как участки рядом с растворяющимся цементитом содержат больше углерода. Выдержка обеспечивает перераспределение углерода. Недостаточное время может привести к сохранению нерастворившегося цементита, образованию обедненного углеродом аустенита или возникновению локальных градиентов состава. Чрезмерно высокая температура или слишком длительная выдержка могут укрупнить бывшие аустенитные зерна даже в том случае, если растворение уже завершилось.

Легированные карбиды замедляют этот процесс. Карбиды, содержащие хром, молибден, ванадий, ниобий и титан, могут сохранять устойчивость значительно выше температуры, необходимой для растворения обычного Fe₃C. Их сохранение может быть намеренным, однако это означает, что номинальная «температура аустенитизации» не гарантирует перехода в раствор всех частиц, содержащих углерод. Углерод и замещающие атомы также ликвационно распределяются при литье и последующей обработке, поэтому локальные температуры превращения в пределах одной детали могут различаться.

Влияние кремния и легирующих добавок

Кремний наглядно показывает, почему любую температуру превращения необходимо рассматривать вместе с составом стали. ASM International сообщает, что кремний повышает интервал температур превращения, снижает растворимость углерода в аустените и способствует распаду карбида железа. Поэтому в кремнистых сталях устойчивость цементита и перераспределение углерода отличаются от соответствующих характеристик углеродистой стали. Следствием могут быть более высокая практическая граница нагрева, изменение растворения карбидов и большая склонность углерода сохраняться распределенным между аустенитом и другими структурными составляющими в течение термического цикла.

Марганец обычно снижает критические температуры превращения и повышает прокаливаемость, тогда как никель стабилизирует аустенит; хром, молибден, ванадий, ниобий и титан способны образовывать устойчивые карбиды или нитриды. Совокупное воздействие нельзя определять по одному элементу, рассматриваемому изолированно. Имеет значение и скорость нагрева: быстрый нагрев может приводить к более высоким наблюдаемым значениям Ac, поскольку диффузия и зарождение фаз отстают от повышения температуры печи.

Образовавшийся аустенит определяет последующие превращения. При охлаждении в зависимости от состава и режима охлаждения из него могут образоваться перлит, бейнит, проэвтектоидный феррит, проэвтектоидный цементит или мартенсит. Отчет NIST Характеристики превращения при непрерывном охлаждении стали SAE 1141 (1990) показывает, почему для оценки прокаливаемости и прогнозирования микроструктуры, прочности, твердости, обрабатываемости и усталостных свойств при комнатной температуре используют диаграмму CCT. Образование аустенита — это исходное состояние, а не гарантия получения какой-либо одной конечной структуры.

Продукты охлаждения: перлит, бейнит, мартенсит и доэвтектоидные фазы

Аустенит не имеет единственного неизбежного продукта охлаждения. Результат зависит от содержания углерода и легирующих элементов, размера исходного зерна аустенита, условий нагрева, скорости охлаждения и времени выдержки при каждой температуре. ASM International относит перлит, бейнит, мартенсит, доэвтектоидный феррит и доэвтектоидный цементит к основным продуктам превращения аустенита. Эти названия описывают не однотипные объекты: феррит и цементит являются фазами, перлит и бейнит — продуктами превращения, содержащими более одной фазы, а мартенсит — пересыщенной фазой, образующейся по другому механизму.

Хорошо известная эвтектоидная реакция иллюстрирует это различие. В издании Materials Science & Metallurgy (2002) Кембриджского университета реакция указана при содержании углерода приблизительно 0,8 % по массе и температуре 723 °C:

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}$$

Здесь γ — гранецентрированный кубический аустенит, α — объемноцентрированный кубический феррит, а Fe₃C — ромбический цементит, как описано в издании Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) Кембриджского университета. Эта температура является равновесным ориентиром, а не универсальной точкой переключения. Фактическое превращение может начинаться ниже или выше нее в зависимости от термического пути и состава.

Перлит как реконструктивный продукт, контролируемый диффузией

Перлит образуется, когда аустенит кооперативно распадается на чередующиеся слои феррита и цементита. Углерод должен перераспределиться: феррит способен растворять лишь небольшое количество углерода, тогда как цементит вмещает значительно больше. Железная решетка также перестраивается из гранецентрированной кубической структуры аустенита в объемноцентрированную кубическую структуру феррита. Поэтому это реконструктивное превращение, контролируемое диффузией, а не простое изменение формы уже существующей решетки.

Кооперативный характер превращения имеет большое значение. Образование феррита вытесняет углерод в расположенный рядом аустенит, повышая локальную концентрацию углерода и способствуя образованию цементита рядом с ферритом. В свою очередь, образование цементита создает условия, позволяющие расти соседнему ферриту. Образующиеся колонии содержат пластинки, расстояние между которыми сильно зависит от температуры превращения. Более высокие температуры превращения обычно приводят к образованию более грубого перлита; при более низких температурах формируется более дисперсный перлит, поскольку доступное расстояние диффузии сокращается. Скорость охлаждения изменяет не только температуру начала превращения, но также межпластинчатое расстояние, долю и морфологию продукта.

В доэвтектоидных сталях доэвтектоидный феррит образуется до того, как оставшийся аустенит достигнет эвтектоидного состава. Он преимущественно растет вдоль границ исходных зерен аустенита и удаляет углерод из непревратившегося аустенита, в результате чего этот аустенит постепенно обогащается углеродом. В заэвтектоидных сталях вместо него обычно образуется доэвтектоидный цементит, как правило, вдоль границ зерен аустенита, тогда как оставшийся аустенит перед превращением в перлит становится относительно менее богатым углеродом по сравнению с исходным сплавом. Поэтому конечная структура может содержать феррит и перлит либо цементит и перлит, а не только перлит.

Термины Ae1, Ae3 и Aecm обозначают равновесные границы: Ae1 — эвтектоидная граница, Ae3 отделяет аустенит от области аустенита и доэвтектоидного феррита для соответствующих составов, а Aecm обозначает соответствующую границу цементита. Критические температуры при нагреве и охлаждении не обязаны совпадать. В издании Critical Temperature Ranges (2024) ASM International указано, что при медленном охлаждении критические температуры нагрева могут быть примерно на 33 °C выше значений для охлаждения. Кинетика и термический гистерезис не являются ошибками фазовой диаграммы; они составляют часть процесса превращения.

Бейнит и условие T₀

Бейнит занимает промежуточное положение, которое часто скрывается упрощенными диаграммами. Его рост является бездиффузионным по отношению к железной решетке: атомы железа перемещаются согласованным сдвиговым образом, а не диффундируют по отдельности на большие расстояния. Однако углерод не становится несущественным. Пересыщенный феррит, образовавшийся на начальной стадии изменения решетки, должен перераспределить углерод — обычно в аустенит или в карбид, в зависимости от состава стали и условий превращения. Поэтому бейнит — это не перлит с меньшим межпластинчатым расстоянием и не мартенсит, образовавшийся при более высокой температуре.

T₀ temperatureT₀ temperature The temperature at which austenite and bainitic ferrite of identical composition have equal free energy; below it, the specified bainitic transformation is thermodynamically permitted.

В издании The Bainite Reaction (2024) Кембриджского университета рост бейнита описывается как бездиффузионный по отношению к железной решетке и термодинамически возможный ниже температуры T₀. T₀ — это температура, при которой аустенит и бейнитный феррит одинакового химического состава имеют одинаковую свободную энергию. Ниже T₀ бейнитный феррит с неизменным составом обладает меньшей свободной энергией, чем аустенит, поэтому сдвиговая стадия термодинамически разрешена. Выше T₀ у превращения с тем же составом отсутствует такая движущая сила.

Это условие не означает, что каждый сплав превращается в бейнит сразу после пересечения T₀. На превращение влияют барьеры зарождения, перераспределение углерода, выделение карбидов, легирующие добавки, дефекты и доступное время. Конечная бейнитная структура может включать феррит и карбиды, а ее вид зависит от того, происходит ли образование карбидов между пластинами феррита или подавляется составом и режимом обработки. Например, кремний повышает температурный интервал превращения, снижает растворимость углерода в аустените и способствует распаду карбида железа; такие эффекты изменяют путь и продукт превращения, а не просто смещают одну фиксированную температуру.

Диаграмма «время — температура — превращение» отображает эти кинетические ограничения с помощью С-образных кривых. Диаграмма непрерывного охлаждения дает другой результат, поскольку образец перемещается по температурной шкале в процессе превращения. В издании NIST Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) отмечается, что диаграмма непрерывного охлаждения позволяет оценивать прокаливаемость и прогнозировать микроструктуру при комнатной температуре, прочность, твердость, обрабатываемость и усталостные свойства. Именно поэтому скорость охлаждения нельзя заменить одной «бейнитной температурой».

Мартенсит как сдвиговое бездиффузионное превращение

Мартенсит образуется в результате согласованного сдвига и перетасовки решетки аустенита. Это сдвиговое превращение: атомы железа перемещаются на небольшие расстояния без дальней диффузии, необходимой для образования перлита. Углерод захватывается превращенной решеткой, вызывая пересыщение и искажение. В углеродистой стали образующийся мартенсит обычно описывают как объемноцентрированную тетрагональную структуру, хотя степень ее тетрагональности изменяется в зависимости от содержания углерода и отпуска.

Мартенсит начинает образовываться при температуре начала мартенситного превращения Ms, когда охлаждение обеспечивает достаточную движущую силу для зарождения. Превращение называют бездиффузионным, поскольку количество образовавшегося мартенсита в основном зависит от достигнутой температуры, а не от времени выдержки при постоянной температуре. Поэтому Ms является температурой превращения, а не гарантией того, что весь аустенит превратился. Дальнейшее охлаждение обычно приводит к образованию дополнительного мартенсита, однако часть аустенита может сохраниться при комнатной температуре.[3][3] Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2012.

Для Mf, температуры конца мартенситного превращения, действует то же ограничение. Она обозначает экстраполированный или измеренный интервал завершения мартенситной реакции при заданных условиях, а не абсолютную гарантию отсутствия остаточного аустенита. В издании Кембриджского университета Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012) специально показано, что углерод влияет на Ms, Mf и долю остаточного аустенита. Легирующие элементы и предшествующие превращения также изменяют результат.

Быстрое охлаждение может подавить реконструктивные продукты и обеспечить образование мартенсита, однако понятие «быстрое» зависит от марки стали. Диаграмма непрерывного охлаждения для одной стали может показывать образование перлита или бейнита до достижения Ms при одной скорости охлаждения и мартенсита — при другой. Таким образом, выбор фаз определяется всей термической историей: равновесные температуры указывают возможные состояния, диаграммы изотермического превращения описывают кинетику при постоянной температуре, а диаграммы непрерывного охлаждения описывают фактическое непрерывное охлаждение. Одна лишь температура никогда не дает полной картины формирования микроструктуры.

Диаграммы TTT: что могут и чего не могут показать данные об изотермическом превращении

Диаграмма временно-температурного превращения (TTT) показывает, что происходит, когда аустенит доводят до выбранной температуры и выдерживают при ней. Это не универсальная таблица фиксированных температур превращения. Кривые применимы к указанному химическому составу стали, режиму аустенитизации, исходному размеру зерна и экспериментальному определению начала и конца превращения.

Для построения диаграммы образец сначала нагревают достаточно высоко в область аустенита, чтобы получить требуемую γ-структуру. Затем его быстро охлаждают до выбранной температуры выдержки. При охлаждении необходимо исключить превращение в течение всего температурного перехода. При температуре выдержки образец сохраняют в изотермических условиях, одновременно регистрируя изменение его структуры с помощью дилатометрии, металлографии, измерения магнитного отклика или другого метода. Момент, когда превращение становится обнаружимым, наносят как точку начала; момент, когда выбранную долю превращения считают завершённой, — как точку конца. Повторение этой процедуры при различных температурах даёт характерные кривые.

Полученная диаграмма позволяет различать продукты превращения, фазы и температуры. Аустенит — это фаза: гранецентрированное кубическое γ-железо, содержащее углерод и легирующие элементы. Перлит и бейнит — продукты превращения, обычно состоящие из феррита и карбида в различных структурных сочетаниях. Мартенсит также является продуктом превращения; он образуется из аустенита в результате сдвигового изменения кристаллической решётки. При эвтектоидной реакции, протекающей примерно при содержании углерода 0,8 мас.% и температуре 723 °C, аустенит превращается согласно уравнению γ → α + Fe₃C, как описано Кембриджским университетом (2002). Кембриджский университет определяет феррит как объёмно-центрированное кубическое железо, а цементит — как орторомбический Fe₃C.

Чтение C-кривых

Температура откладывается по вертикальной оси, а время, обычно в логарифмическом масштабе, — по горизонтальной. Сталь подвергают аустенитизации, быстро охлаждают до точки на диаграмме, а затем выдерживают при постоянной температуре. Если горизонтальная линия сначала пересекает кривую начала превращения при 650 °C, время от начала выдержки до точки пересечения представляет собой инкубационный период до обнаруживаемого превращения. Продолжение выдержки приводит структуру к соответствующей кривой конца превращения. Область между двумя кривыми представляет собой смесь непревращённого аустенита и продукта превращения, а не одну фазу с точно определённой температурой.

Кривые обычно изгибаются в сторону малых времён при промежуточной температуре, образуя «нос». Вблизи этой точки превращение протекает наиболее быстро, поскольку движущая сила достаточно велика, а перемещение атомов всё ещё происходит с достаточной скоростью. При более высоких температурах малая движущая сила замедляет зарождение; при более низких температурах снижение диффузии замедляет рост. Поэтому «нос» указывает на определённое сочетание времени и температуры, а не на одну критическую температуру.

Изотермическая выдержка выше соответствующего диапазона может привести к образованию крупнопластинчатого перлита; при более низкой температуре выдержки могут образоваться более дисперсный перлит или бейнит — в зависимости от состава стали и конкретной диаграммы. Точные границы изменяются под влиянием содержания углерода, марганца, хрома, молибдена и кремния, размера исходного аустенитного зерна и режима аустенитизации. Например, кремний повышает диапазон температур превращения, снижает растворимость углерода в аустените и способствует разложению карбида железа. Критические температуры при нагреве и охлаждении также не обязаны совпадать: ASM International (2024) сообщает, что при медленном охлаждении критические температуры нагрева могут быть примерно на 33 °C выше соответствующих значений при охлаждении.

Кривую TTT нельзя непосредственно переносить на деталь, охлаждающуюся непрерывно. В печи, масляной ванне, сварном соединении или массивном сечении температура изменяется по наклонной траектории во времени, а не поддерживается постоянной. В ходе такого охлаждения материал может проходить через температуры, при которых начинается превращение, однако доступное для него время непрерывно изменяется. Для этой задачи подходит диаграмма непрерывного охлаждения (CCT). В исследовании NIST (1990), посвящённом стали SAE 1141, данные CCT используются для оценки прокаливаемости и прогнозирования микроструктуры при комнатной температуре, прочности, твёрдости, обрабатываемости и усталостных свойств. Диаграмма TTT всё же может служить ориентиром, но её применение к непрерывному охлаждению требует обоснования, часто с помощью расчётных кривых охлаждения или экспериментально определённых данных CCT.

Реконструктивные и сдвиговые области превращения

Раздельные C-кривые на многих диаграммах сталей отражают различные механизмы, а не просто разные названия одного и того же процесса. Реконструктивные превращения требуют пересечения атомами межфазных границ и перестройки структуры посредством процессов, включающих диффузию. Перлит является классическим примером: феррит и цементит образуются по мере перераспределения углерода, тогда как кристаллическая решётка железа изменяется от аустенитной в сторону ферритных областей. Доэвтектоидный феррит или доэвтектоидный цементит также относятся к этому семейству диффузионно-контролируемых превращений, если они образуются до эвтектоидной реакции.

Бейнит занимает иную область. В работе Кембриджского университета Бейнитная реакция (2024) указано, что рост бейнита является бездиффузионным по отношению к решётке железа и термодинамически возможен ниже температуры T₀, при которой бейнит того же состава обладает меньшей свободной энергией, чем аустенит. Поэтому превращение сочетает сдвиговое изменение решётки железа с перераспределением углерода или процессами выделения, определяющими конечную бейнитную структуру. Бейнит не следует рассматривать просто как «мелкий перлит».

Мартенсит образуется, когда аустенит охлаждают достаточно быстро, чтобы подавить реконструктивные превращения. Его решётка изменяется за счёт согласованного смещения атомов, практически без дальнодействующей диффузии в процессе образования. Поэтому мартенситная область представляется температурами, а не обычными зависящими от времени C-кривыми.

Ms, Mf и остаточный аустенит

Ms — температура начала мартенситного превращения — достигается при охлаждении аустенита, когда становится возможным начало образования мартенсита. В соответствующем диапазоне превращение является атермическим: количество образовавшегося мартенсита в основном зависит от достигнутой температуры, а не от времени выдержки при постоянной температуре. Mf — температура конца мартенситного превращения — представляет собой номинальную температуру, при которой заданное мартенситное превращение считается завершённым.

Mf может находиться ниже комнатной температуры. В таком случае охлаждение до комнатной температуры оставляет часть аустенита непревращённой. Это остаточный аустенит, а не отдельная равновесная фаза, выбираемая посредством простого определения по температуре. Он является следствием химического состава и траектории охлаждения, а его количество может изменяться при последующем отпуске, эксплуатации или деформации.

Углерод оказывает сильное влияние на все три величины. Материалы Кембриджского университета по диаграммам TTT (2012) показывают, что углерод влияет на Ms, Mf и долю остаточного аустенита: увеличение содержания углерода обычно понижает Ms и Mf и увеличивает долю аустенита, сохраняющегося после заданного режима охлаждения. Легирующие элементы и предшествующая обработка также изменяют результат. Поэтому линия, обозначенная Ms на одной диаграмме, относится к данной стали и условиям её испытания; её нельзя безоговорочно переносить на другую марку стали или деталь.

Диаграммы CCT и реальность промышленных путей охлаждения

Непрерывное охлаждение через интервалы превращений

Диаграмма «время–температура–превращение» (TTT) описывает процессы, происходящие при выдержке аустенита при выбранной температуре. Это условие удобно для изучения изотермических реакций, однако оно не соответствует обычной температурной истории стальной детали. Поковки выходят из штампа и непрерывно теряют тепло. Прокат охлаждается в изменяющемся температурном поле. Нормализованные и отожжённые стали проходят интервалы превращений при охлаждении в печи или на воздухе, тогда как закалённые детали часто быстро пересекают эти интервалы, прежде чем достигнут температуры начала мартенситного превращения, Ms.

Поэтому диаграмма превращений при непрерывном охлаждении (CCT) зачастую является более практичной картой. Границы начала и конца превращений на ней нанесены в зависимости от непрерывно снижающейся температуры. Кривая охлаждения, наложенная на диаграмму, показывает, когда и как долго аустенит находится в температурном диапазоне, в котором может образоваться определённый продукт. Кривая может войти в область начала образования феррита, продолжиться в область образования перлита, пройти через область бейнитного превращения и, наконец, пересечь Ms, вследствие чего оставшийся аустенит превратится в мартенсит. Поэтому конечная структура может представлять собой смесь, а не одну отдельно названную фазу или один продукт превращения.

Это различие существенно, поскольку феррит, перлит, бейнит и мартенсит образуются по разным механизмам. До эвтектоидной реакции в доэвтектоидных или заэвтектоидных сталях может образовываться доэвтектоидный феррит или цементит. Вблизи эвтектоидного состава — приблизительно 0,8 мас.% углерода и 723 °C — аустенит претерпевает превращение γ → α + Fe₃C, согласно материалу Materials Science & Metallurgy Кембриджского университета (2002). Здесь α — феррит, а Fe₃C — цементит. В материале Кембриджского университета Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) аустенит определяется как гранецентрированная кубическая фаза, феррит — как объёмноцентрированная кубическая фаза, а цементит — как орторомбический Fe₃C.

При более низких температурах может образовываться бейнит в результате превращения, которое по отношению к кристаллической решётке железа является бездиффузионным, хотя перераспределение углерода сохраняет важное значение для реакции и её продуктов. В материале Кембриджского университета The Bainite Reaction (2024) указано, что рост бейнита термодинамически возможен ниже температуры T₀, при которой бейнит имеет меньшую свободную энергию, чем аустенит идентичного состава. Если охлаждение достаточно быстрое, диффузионно-контролируемые продукты могут не успеть образоваться. Тогда решётка аустенита посредством сдвигового превращения изменяется в мартенсит, начиная с Ms; образование мартенсита является атермическим, поэтому количество образовавшегося мартенсита в основном зависит от того, насколько температура опустилась ниже Ms, а не от времени выдержки при одной температуре.

Кривая CCT также не является универсальным свойством «стали». Температура аустенитизации, время выдержки, исходная феррито-перлитная или бейнитная структура, размер зерна, содержание легирующих элементов и охлаждающая среда — всё это влияет на результат. Например, кремний повышает интервал температур превращения, снижает растворимость углерода в аустените и способствует распаду карбида железа. Даже критические температуры, измеренные при нагреве и охлаждении, не обязаны совпадать: в материале Critical Temperature Ranges (2024) ASM International сообщается, что при медленном охлаждении критические температуры при нагреве могут быть примерно на 33 °C выше значений, полученных при охлаждении.

Пример SAE 1141

Отчёт National Institute of Standards and Technology Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) содержит полезный практический пример. SAE 1141 — среднеуглеродистая сталь с повышенным содержанием серы, обычно обозначаемая маркой SAE/AISI 1141. Добавка серы улучшает обрабатываемость резанием, однако свойства этой марки по-прежнему определяются совокупным взаимодействием содержания углерода, состояния аустенита, скорости охлаждения и геометрии сечения.

В работе NIST данные CCT используются для установления связи между траекториями охлаждения аустенита и структурой при комнатной температуре, а не для приписывания марке одной температуры превращения. При относительно медленной траектории охлаждения кривая может пересечь области феррита и перлита, прежде чем достигнет более низких температур. Более быстрая траектория может подавить часть этих реакций или все их, войти в область бейнитного превращения либо избежать диффузионного превращения до пересечения Ms и образования мартенсита. Если кривая охлаждения пересекает более одной области начала превращения, полученная сталь может содержать доэвтектоидный феррит и перлит, перлит и бейнит, бейнит и мартенсит либо несколько продуктов одновременно. Аустенит, который остаётся непревращённым к моменту прекращения охлаждения, может сохраниться в виде остаточного аустенита.

Последняя составляющая отнюдь не является второстепенной деталью. В материале Кембриджского университета Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012) специально отмечается влияние углерода на Ms, температуру конца образования мартенсита Mf и долю остаточного аустенита. Если сталь охлаждается только до температуры выше Mf, часть аустенита может сохраниться. Впоследствии он может превратиться во время эксплуатации, механической обработки или последующей термической обработки, изменяя размеры и напряжения.

Исследование SAE 1141, выполненное NIST, непосредственно подчёркивает практическое значение диаграмм: диаграмму CCT стали можно использовать для оценки прокаливаемости и прогнозирования микроструктуры при комнатной температуре, прочности, твёрдости, обрабатываемости и усталостных свойств. Эти прогнозы являются оценочными и не заменяют проверки фактического термического цикла и сечения детали. Кривая охлаждения поверхности может проходить значительно левее границ превращений, тогда как центральная часть охлаждается медленнее и образует феррит и перлит. Поэтому одна и та же деталь может иметь твёрдый мартенситный поверхностный слой и более мягкую смешанную сердцевину.

Прокаливаемость, размер сечения и прогнозирование свойств

Прокаливаемость часто путают с твёрдостью. Это разные характеристики. Твёрдость описывает сопротивление вдавливанию или деформации в определённом состоянии. Прокаливаемость описывает способность стали образовывать мартенсит и глубину, на которую это возможно, при заданных условиях аустенитизации и охлаждения. Для стали с высокой прокаливаемостью не существует одного универсального значения твёрдости. Её твёрдость по-прежнему зависит от содержания углерода, доли мартенсита, отпуска и локальной скорости охлаждения.

Размер сечения изменяет эту скорость охлаждения. Тонкий пруток может охлаждаться достаточно быстро по всему поперечному сечению, чтобы избежать образования феррита и перлита. В массивной поковке тепло, накопленное в центральной части, замедляет кривую охлаждения, позволяя ей войти в области начала превращений, которых поверхность избегает. Поэтому в центре могут содержаться бейнит или перлит, тогда как поверхность содержит мартенсит. Этот температурный градиент также создаёт различия в изменении объёма и напряжениях превращения, что может способствовать короблению, образованию закалочных трещин и возникновению остаточных напряжений.

Поэтому интерпретация CCT должна начинаться с анализа фактического процесса: температуры и времени аустенитизации, контакта с печью или штампом, задержки при переносе, охлаждающей среды, интенсивности перемешивания, ориентации детали и локальной толщины сечения. Образующиеся продукты затем позволяют связать структуру со свойствами. По сравнению с неотпущенным мартенситом феррит и крупнопластинчатый перлит обычно снижают прочность и твёрдость, одновременно улучшая обрабатываемость; бейнит занимает промежуточное положение, причём его свойства сильно зависят от условий; мартенсит повышает твёрдость и прочность, но может снижать вязкость, если не подвергнут отпуску. Смеси структур и градиенты также влияют на усталость, поскольку локальная твёрдость, остаточные напряжения, включения и остаточный аустенит изменяют зарождение и рост трещин. По одной таблице температур учесть эти эффекты невозможно. Траектория охлаждения — позволяет.

Почему температуры превращений смещаются для разных сталей и процессов

Температура превращения не является универсальным справочным значением для «стали». Она характеризует условие, при котором определённое фазовое превращение становится возможным или обнаружимым для заданного состава и определённого температурного режима. Результат также зависит от того, описывает ли диаграмма равновесие, изотермическую выдержку или непрерывное охлаждение. Перлит, бейнит, мартенсит, доэвтектоидный феррит и доэвтектоидный цементит — это различные продукты превращения, а не взаимозаменяемые названия одной и той же температуры.

Содержание углерода и химический состав сплава

Углерод изменяет как равновесные границы, так и продукты, образующиеся при охлаждении. В системе железо—углерод эвтектоидная реакция протекает примерно при содержании углерода 0,8 % по массе и температуре 723 °C:

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}$$

В издании Materials Science & Metallurgy Кембриджского университета (2002) эта реакция описана как превращение аустенита в феррит и цементит. Аустенит имеет гранецентрированную кубическую структуру, феррит — объемноцентрированную кубическую структуру, а цементит представляет собой орторомбический Fe₃C, как указано в издании Кембриджского университета Interpretation of the Microstructure of Steels (2008). Изменение содержания углерода смещает эвтектоидный состав и температуру, а также изменяет фазу, которая появляется до эвтектоидной реакции. В доэвтектоидных сталях может образовываться доэвтектоидный феррит; в заэвтектоидных сталях — доэвтектоидный цементит.

Углерод также изменяет температуру начала образования мартенсита Ms и температуру, при которой мартенситное превращение в основном завершается, Mf. В издании Кембриджского университета Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012) специально указывается, что углерод влияет на Ms, Mf и долю остаточного аустенита. Повышение содержания углерода, как правило, понижает Ms и Mf. Если Mf опускается ниже комнатной температуры, часть аустенита может остаться непревращённой. Этот остаточный аустенит не свидетельствует о том, что сталь не достигла одной фиксированной «температуры закалки»; он отражает состав стали и конечную температуру охлаждения.

Механизм имеет существенное значение. Для образования перлита и доэвтектоидных продуктов необходим перераспределение углерода, поэтому эти превращения контролируются диффузией. Мартенсит образуется в результате быстрого бездиффузионного смещения, что позволяет кристаллической решётке железа перестроиться без требуемой для образования цементита дальней диффузии углерода. Бейнит занимает промежуточное положение: в издании Кембриджского университета The Bainite Reaction (2024) указано, что его рост является бездиффузионным по отношению к решётке железа и термодинамически возможен ниже температуры T₀, при которой бейнит того же состава обладает меньшей свободной энергией, чем аустенит.

Легирующие добавки могут смещать эти соотношения, однако их воздействие не следует считать одинаковым. Показательным примером является кремний. ASM International указывает, что кремний повышает диапазон температур превращения, снижает растворимость углерода в аустените и способствует диссоциации карбида железа. Поэтому кремнистые стали нельзя интерпретировать с использованием неизменённой диаграммы состояния для нелегированной системы железо—углерод. Однако это не даёт оснований вводить одну и ту же поправку для каждого легирующего элемента: каждый элемент изменяет стабильность фаз, диффузию, химический состав карбидов или сочетание этих факторов.

Гистерезис при нагреве и охлаждении

Температура, зарегистрированная при нагреве, не обязательно совпадает с температурой, зарегистрированной при охлаждении. При нагреве феррит и цементит должны раствориться, а аустенит — зародиться и вырасти; для этого необходимы тепловая активация и время. При охлаждении аустенит распадается в результате другого процесса зарождения и роста. Поэтому превращение сопровождается гистерезисом даже в том случае, если температура в печи изменяется медленно.

ASM International в публикации Critical Temperature Ranges (2024) указывает, что при условиях медленного охлаждения критические температуры при нагреве могут быть примерно на 33 °C выше, чем при охлаждении. Это количественное утверждение, приведённое в источнике, а не универсальная поправка для каждого печного цикла или сплава. Более быстрый нагрев может увеличивать кажущееся превышение температуры, поскольку диффузия и зарождение фаз отстают от измеряемой температуры. Быстрая закалка может на достаточно длительное время подавить образование перлита и бейнита, чтобы сформировался мартенсит, тогда как изотермическая выдержка может вызвать превращение при температуре, которая не соответствовала бы точке начала превращения на диаграмме непрерывного охлаждения.

Это различие отделяет равновесные температуры, такие как Ae1, Ae3 и Aecm, от практических температур Ac и Ar, измеряемых соответственно при нагреве и охлаждении. TTT-диаграмма описывает превращение во время изотермической выдержки после аустенитизации. CCT-диаграмма отображает процесс при непрерывно изменяющейся температуре. В работе NIST Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) данные CCT используются для оценки прокаливаемости и прогнозирования микроструктуры при комнатной температуре, прочности, твёрдости, обрабатываемости и усталостных свойств. Поэтому CCT-кривая является картой процесса, а не заменой данных о фазовом равновесии.

Размер зерна исходного аустенита, время и температурные градиенты

Время аустенитизации изменяет больше, чем можно предположить по показаниям термометра. Достаточно длительная выдержка может растворить карбиды, выровнять распределение углерода и позволить зёрнам аустенита вырасти. Недостаточное время может привести к сохранению нерастворившихся карбидов либо областей, обогащённых и обеднённых углеродом, поэтому разные части одного и того же изделия начинают охлаждение с различной склонностью к превращениям. Чрезмерно длительная выдержка обычно приводит к укрупнению зёрен исходного аустенита, уменьшая общую площадь границ зёрен, доступную для зарождения, и часто задерживая диффузионные превращения.

Следовательно, размер зерна исходного аустенита изменяет кинетику, а не создаёт новый равновесный состав. Мелкие зёрна обеспечивают больше центров зарождения и могут способствовать более раннему образованию феррита или перлита при охлаждении. Крупные зёрна могут повышать прокаливаемость, задерживая образование этих продуктов, зарождающихся на границах зёрен, и позволяя большей доле аустенита достичь условий образования бейнита или мартенсита. Точное смещение зависит от содержания углерода, химического состава сплава, состояния границ зёрен и скорости охлаждения.

Реальные изделия редко равномерно следуют режиму, заданному для печи. Толстое сечение теряет тепло с поверхности, тогда как его сердцевина остаётся горячей, что приводит к различным скоростям охлаждения в разных участках сечения. Равномерность температуры в печи, расположение загрузки, контакт с приспособлениями и окисление поверхности дополнительно влияют на фактическую температурную историю. Поверхность может пересечь область образования перлита или бейнита, пока сердцевина ещё находится выше неё; позднее сердцевина может превращаться при более медленной скорости охлаждения, чем поверхность. Поэтому одна номинально одинаковая термическая обработка может привести к образованию феррита, перлита, бейнита, мартенсита и остаточного аустенита в разных местах. Температура имеет значение, но именно пройденный температурный путь определяет, какой продукт превращения появится.

Стандарты чтения, обозначения марок и терминология превращений

SAE 1141 и ограничения диаграмм для конкретных марок

Диаграмма превращений представляет собой описание определённого состава и заданного термического пути, а не универсальную таблицу температур. Диаграмма непрерывного охлаждения (CCT), обозначенная как SAE 1141, применима к химическому составу, режиму аустенитизации, размеру образца и методу испытания, использованным для её построения. Её не следует переименовывать в «диаграмму углеродистой стали» и тем более без оговорок применять к низколегированной, нержавеющей или инструментальной стали.

Это различие существенно, поскольку легирующие элементы изменяют стабильность фаз, скорости диффузии, образование карбидов и кинетику превращений. Углерод изменяет диапазон превращения аустенита в мартенсит и долю остаточного аустенита; в работе Кембриджского университета 2012 года Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel специально отмечено его влияние на Ms, Mf и доли остаточного аустенита. Согласно работе ASM International 2024 года Critical Temperature Ranges, кремний повышает диапазон температур превращений, уменьшает растворимость углерода в аустените и способствует распаду карбида железа. Никель, хром, молибден и марганец могут смещать кривые превращений и замедлять образование диффузионных продуктов. Нержавеющая марка также может содержать области ферритной, аустенитной или интерметаллической фаз, отсутствующие на диаграмме для простой углеродистой стали, тогда как в инструментальных сталях могут образовываться легированные карбиды, изменяющие как равновесные, так и наблюдаемые продукты превращения.

Даже привычная справочная диаграмма для чистого железа зависит от состава. В работе Кембриджского университета 2005 года Stainless Steels: Phase Equilibria для чистого железа указано, что гранецентрированный кубический аустенит существует приблизительно в диапазоне 910–1400 °C, а температура плавления составляет приблизительно 1539 °C. Эти значения не определяют критические температуры для SAE 1141. Работа NIST 1990 года Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel показывает надлежащее применение диаграммы непрерывного охлаждения для конкретной марки: оценки прокаливаемости и прогнозирования микроструктуры при комнатной температуре, прочности, твёрдости, обрабатываемости и усталостных свойств при заданных условиях охлаждения.

Поэтому для каждой приводимой температуры необходимо указывать источник данных. Следует сообщать обозначение марки и стандарт, основу для определения состава — номинальный состав, плавочный анализ или измеренный состав, — а также исходную микроструктуру, температуру аустенитизации и время выдержки, скорость нагрева или охлаждения, геометрию образца, тип диаграммы и метод измерения. Дилатометрия, дифференциальный термический анализ, измерение электрического сопротивления и металлографическое исследование после прерывания охлаждения могут давать разные кажущиеся температуры начала и завершения превращения.

Обозначения Ae, Ac, Ar, Ms, Mf и Aecm

Префикс Ae обозначает равновесную температуру превращения. Так, Ae1 — это эвтектоидная граница в равновесных условиях, а Ae3 — верхняя граница, связанная с образованием феррита из аустенита в доэвтектоидной стали. Aecm обозначает равновесную границу аустенит–цементит на стороне, обогащённой углеродом. Индекс «cm» относится к цементиту, Fe₃C.

Приблизительно эвтектоидный состав содержит 0,8 мас.% углерода. В материале Кембриджского университета 2002 года Materials Science & Metallurgy для температуры около 723 °C приведена реакция γ → α + Fe₃C. Здесь γ — аустенит, а α — феррит. Это уравнение описывает фазы в равновесии; оно не означает, что всякая сталь, охлаждённая через 723 °C, образует перлит.

Префикс Ac относится к критической температуре, измеренной при нагреве, тогда как Ar обозначает температуру, измеренную при охлаждении. Ac1 и Ar1 могут различаться, поскольку зарождение, растворение, диффузия и тепловое запаздывание зависят от скорости процесса и исходной структуры. ASM International сообщает, что при медленном охлаждении критические температуры при нагреве могут быть примерно на 33 °C выше значений, измеренных при охлаждении. Ms — температура начала образования мартенсита при охлаждении, а Mf — температура завершения этого процесса. Мартенсит является сдвиговым, в значительной степени бездиффузионным продуктом; недостаточное охлаждение ниже Mf может привести к сохранению остаточного аустенита. На диаграммах изотермического превращения (TTT) обычно отмечают Ms, тогда как диаграммы непрерывного охлаждения (CCT) показывают пересечение кривой непрерывного охлаждения с областями перлита, бейнита и мартенсита.

Фазы, структурные составляющие и описание микроструктуры

Фаза — это физически и химически обособленная часть материала с определённой структурой и диапазоном составов. В работе Кембриджского университета 2008 года Interpretation of the Microstructure of Steels аустенит характеризуется как гранецентрированная кубическая фаза, феррит — как объёмноцентрированная кубическая фаза, а цементит — как орторомбический Fe₃C. Область фаз на равновесной диаграмме предсказывает, какие фазы стабильны при определённых составе и температуре. Она не является фотографией и не определяет размер частиц, расстояние между ними, морфологию или скорость превращения.

Структурная составляющая — это наблюдаемый продукт превращения или агрегат. Перлит обычно представляет собой агрегат феррита и цементита; бейнит содержит ферритные области и карбидные образования, возникшие в результате особого механизма превращения; мартенсит является пересыщенным превращённым ферритом с характерной морфологией и состоянием углерода. ASM International рассматривает перлит, бейнит, мартенсит, доэвтектоидный феррит и доэвтектоидный цементит как основные продукты превращения аустенита как в изотермических условиях, так и при непрерывном охлаждении. В работе Кембриджского университета 2024 года The Bainite Reaction указано, что рост бейнита является бездиффузионным по отношению к решётке железа и термодинамически возможен ниже T₀, где свободная энергия бейнита ниже, чем свободная энергия аустенита идентичного состава.

Поэтому в отчётах следует отделять расчётные области фаз от измеренных структурных составляющих. Необходимо указывать, является ли источником равновесная диаграмма Fe–C или Fe–Fe₃C, диаграмма изотермического превращения (TTT) либо диаграмма непрерывного охлаждения (CCT), а затем описывать способ выявления превращения и метод исследования конечной структуры. Изображение полированной и протравленной поверхности, результат рентгеновской дифракции, дилатометрическая кривая и профиль твёрдости отвечают на разные вопросы. Температура без этого контекста является неполным обозначением.

От диаграммы к микроструктуре: последовательная интерпретация

Диаграмма превращений — это не таблица соответствия температур. Это карта для заданного состава, состояния образца, режима нагрева или охлаждения и экспериментального метода. Поэтому корректный вопрос заключается не в том, «какая фаза образуется при 700 °C?», а в том, «какой материал присутствует, по какому пути он прошёл и какие механизмы превращения успели реализоваться?»

Начните с состава и заданного термического пути

Начните с фиксации марки стали и её химического состава. Понятие «углеродистая сталь» слишком широко для надёжного прогноза. Эвтектоидная нелегированная углеродистая сталь ведёт себя иначе, чем SAE 1141, а обе они отличаются от легированных марок, содержащих хром, молибден, никель, марганец или кремний. Зафиксируйте содержание углерода и легирующих элементов, исходное состояние, размер зерна, если он известен, толщину сечения, температуру аустенитизации, время выдержки, а также скорости нагрева и охлаждения.

При принятии решений, зависящих от результата, обозначение марки следует сопоставлять с фактическим анализом плавки. Небольшие изменения химического состава могут смещать температуры превращений и изменять доли продуктов превращения. Например, кремний повышает диапазон температур превращения, снижает растворимость углерода в аустените и способствует распаду карбида железа. Важно даже направление температурного отклонения: ASM International сообщает, что при медленном охлаждении критические температуры нагрева могут быть примерно на 33 °C выше соответствующих значений при охлаждении.

Затем классифицируйте термический процесс. Равновесный расчёт предполагает чрезвычайно медленные изменения и достаточное время для приближения состава фаз к равновесному. При изотермической обработке сталь быстро доводят до выбранной температуры и выдерживают при ней; именно это условие представлено на диаграмме TTT. При непрерывном охлаждении температура изменяется, и такой процесс представляется диаграммой CCT. Охлаждение в печи, на воздухе, в масле и в воде — это непрерывные пути, а не изотермические выдержки, даже если их конечные температуры схожи.

Хорошо известная диаграмма Fe–C задаёт полезные границы, но не предсказывает каждую промышленную микроструктуру. В чистом железе аустенит с гранецентрированной кубической решёткой устойчив приблизительно от 910 до 1400 °C, а чистое железо плавится приблизительно при 1539 °C, согласно работе Кембриджского университета Фазовые равновесия в нержавеющих сталях (2005). Эти значения нельзя без изменений применять к легированной стали. При содержании углерода около 0,8 мас. % и температуре 723 °C эвтектоидная реакция имеет вид γ → α + Fe₃C, однако в реальной стали до образования эвтектоидной составляющей могут присутствовать доэвтектоидный феррит или цементит.

Проследите путь по данным TTT или CCT

Выберите диаграмму, соответствующую процессу. На диаграмме TTT найдите условие аустенитизации, быстро переместитесь к температуре выдержки, а затем определите начало и завершение превращения во время выдержки. На диаграмме CCT нанесите фактическую кривую охлаждения или выберите её и определите каждую область, которую она пересекает. Не переносите непосредственно время начала превращения с диаграммы TTT на процесс непрерывного охлаждения: при развитии превращения сталь проходит через диапазон температур.

Явно запишите последовательность превращений. В доэвтектоидной стали из аустенита сначала может образоваться доэвтектоидный феррит, а затем перлит. В заэвтектоидной стали перед образованием перлита может сформироваться доэвтектоидный цементит. Кривая охлаждения, не затрагивающая перлитную область, может войти в бейнитный диапазон, а затем пересечь Ms — температуру начала образования мартенсита. Поэтому конечная структура может содержать феррит, перлит, бейнит, мартенсит и остаточный аустенит в различных пропорциях.

Эти названия также обозначают разные типы объектов. Феррит, аустенит и цементит являются фазами: в работе Кембриджского университета Интерпретация микроструктуры сталей (2008) они соответственно определены как феррит с объёмноцентрированной кубической решёткой, аустенит с гранецентрированной кубической решёткой и ромбический Fe₃C. Перлит и бейнит — это продукты превращения с характерным расположением фаз, тогда как мартенсит является сдвиговым продуктом превращения. Температура превращения обозначает границу или событие, но не гарантирует образования определённой конечной структурной составляющей.

Механизм имеет значение. Реконструктивные превращения требуют атомной диффузии и могут приводить к образованию феррита, перлита или цементита, если процесс обеспечивает достаточно времени для перераспределения углерода. Мартенсит образуется без необходимой для этих реакций дальнодействующей химической диффузии. Бейнит характеризуется иным сочетанием изменения решётки и перераспределения углерода; в работе Кембриджского университета Бейнитное превращение (2024) указано, что рост бейнита является бездиффузионным по отношению к решётке железа и термодинамически возможен при температурах ниже температуры T₀.

Мартенсит не обязательно является последним продуктом превращения. Если Ms находится ниже комнатной температуры или если охлаждение прекращается до исчерпания аустенита, может сохраниться остаточный аустенит. В материалах Кембриджского университета по диаграммам TTT (2012) специально отмечается влияние углерода на Ms, температуру окончания образования мартенсита Mf и долю остаточного аустенита. Таким образом, «закалённая сталь» может означать смешанную структуру, а не 100 % мартенсита.

Подтвердите прогнозы микроскопией и испытаниями свойств

Рассматривайте результат по диаграмме как прогноз. Подтвердите его, подготовив репрезентативный образец, отполировав и протравив его методом, подходящим для данной стали, а затем исследовав структуру с помощью оптической микроскопии, сканирующей электронной микроскопии или другого соответствующего метода. Металлография может выявить морфологию феррита, межпластинчатое расстояние в перлите, бейнитные пучки, области мартенсита, карбидные сетки, обезуглероживание и ликвацию. Однако некоторые структурные составляющие требуют осторожной интерпретации, поскольку контраст после травления не является прямой идентификацией фазы.

Измеряйте твёрдость в заданных местах и указывайте шкалу, нагрузку и план отбора образцов. При необходимости, исходя из области применения, добавляйте измерения прочности при растяжении, ударной вязкости, усталостных характеристик, размеров или содержания остаточного аустенита. Одной только твёрдости недостаточно для различения каждой возможной смеси или установления вязкости разрушения.

A steel CCT diagram can be used to estimate hardenability and predict room-temperature microstructure, strength, hardness, machinability, and fatigue properties. Limited evidence

Отчёт NIST Характеристики превращений при непрерывном охлаждении стали SAE 1141 (1990) демонстрирует практическое назначение данных CCT: такая диаграмма может использоваться для оценки прокаливаемости и прогнозирования микроструктуры при комнатной температуре, прочности, твёрдости, обрабатываемости и усталостных свойств. Однако ключевым остаётся слово «прогнозирование». Набор данных диаграммы относится к определённому химическому составу, состоянию зерна, размеру образца и методике испытаний. Если ошибка может иметь серьёзные последствия, проследите термический путь, зафиксируйте прогнозируемую последовательность и сопоставьте её с результатами микроскопии и измеренными свойствами, прежде чем принимать модель превращений.

Источники

1. [1]University of Cambridge. Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge phase-trans materials, 2002. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2002/MP10-6.pdf
2. [2]National Institute of Standards and Technology. Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. NIST Interagency Report, 1990. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nistir3964.pdf
3. [3]University of Cambridge. Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge phase-trans materials, 2012. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2012/Manna/Part2.pdf