Перетворення мартенситу й залишкового аустеніту під час нагрівання

Під час мартенситного перетворення у ста­лях з високим вмістом вуглецю формується структура, що скла­дається із мартенситу й залишкового аустеніту. Ці обидві фази не тривкі й під час нагрівання розпадаються.

Розрізняють чотири основні перетворення, які відбуваються під час нагрівання сталей з вихідною структурою мартенсит + залишковий аустеніт. Температурні границі цих перетворень доволі умовні.

Перше перетворення проходить при температурах, що не перевищують 200 °С. Завдяки тепловій активізації дифузії, по­чинаючи з температури ~ 100 °С, на деяких ділянках мартенси­ту виділяється частина атомів Карбону й утворюються дуже тонкі та дрібні пластинки метастабільного ε-карбіду, формула якого близька до Fе₂С. Товщина утворених пластинок стано­вить декілька атомних шарів, вони мають спільну з мартенси­том кристалографічну площину, атоми якої належать одночас­но обом фазам, тобто між цими фазами існує когерентність. Концентрація вуглецю в мартенситі стає неоднорідною: вона найнижча в тих ділянках, що межують з карбідами. Поступова втрата мартенситом значної кількості вуглецю є причиною транс­формування тетрагональної кристалічної ґратки в ґратку, близь­ку до кубічної, в якій співвідношення параметрів с/а наближа­ється до одиниці.

Отриманий під час нагрівання мартенсит, в якому співвідно­шення параметрів с/а близьке до одиниці і який є гетероген­ною сумішшю пересиченого вуглецем а-твердого розчину неод­норідної концентрації й невідокремлених частинок карбіду, називається відпущеним мартенситом. З підвищенням темпе­ратури або тривалості нагрівання величина частинок ε-карбіду поступово збільшується. У сталях із вмістом вуглецю меншим ніж 0,2 % ε-карбід не утворюється. Внаслідок різних питомих об'ємів карбіду й α-твердого розчину між цими фазами виника­ють істотні залишкові напруження.

Друге, перетворення відбувається в інтервалі температур 200...300 °С і лише в сталях із залишковим аустенітом. Останній розпадається на збіднений вуглецем мартенсит і карбід. В основі перетворення лежить дифузія і воно за своєю приро­дою нагадує бейнітне перетворення. Наприкінці другого пере­творення в α-твердому розчині ще залишається 0,15...0,20 % вуглецю.

Третє перетворення спостерігається при температурах 300...400 °С. Тоді зникають залишкові напруження, закінчу­ється розпад мартенситу, карбідні частинки відокремлюються від матриці й переходять у цементит. Форма цементитних час­тинок наближається до сфероїдальної, а розміри їх збільшу­ються за рахунок розчинення дрібних частинок і подальшого росту великих. Утворена в інтервалі температур 300...400 °С високодисперсна двофазова зерниста феритно-цементитна стру­ктура має твердість близьку до трооститу й називається трооститом відпуску.

Четверте перетворення маємо під час нагрівання до темпе­ратур понад 400 °С. Таке нагрівання не змінює фазового стану, проте сприяє коагуляції й сфероїзації карбідів. Коагуляція відбу­вається шляхом перенесення атомів вуглецю через твердий роз­чин. В інтервалі температур 450...600 °С утворюється структура, що називається сорбітом відпуску. У ньому, як і в трооститі відпуску, карбідні частинки мають форму зерен тоді, коли в сорбіті й трооститі, утворених із переохолодженого аустеніту — форму пластинок. Зернисті структури характеризуються кра­щими механічними властивостями за однакової твердості, ніж аналогічні структури з пластинчастою формою цементиту.

Легувальні елементи впливають на перетворення під час нагрівання мартенситу й залишкового аустеніту. Це зумовлене сповільненням дифузії вуглецю та легувальних елементів у твер­дому розчині. Очевидно, при низьких (до 200 °С) температурах вплив легувальних елементів на розпад мартенситу й залишко­вого аустеніту незначний.

Більшість легувальних елементів впливає на підвищення частки залишкового аустеніту в швидко охолоджених (загарто­ваних) сталях за рахунок зниження температури початку мартенситного перетворення М_П. Це, зокрема, стосується швидко­різальних сталей, частка залишкового аустеніту в яких стано­вить 25...35 %, а аустеніт розпадається лише при температурах 500...600 °С, проти температур розпаду залишкового аустеніту 200...300 °С у вуглецевих сталях.

При температурах до 400 °С рухливість атомів легувальних елементів незначна, тому з мартенситу виділяється карбід залі­за, для утворення якого достатньо, щоб переміщувались атоми Карбону. Такі елементи, як Сг, Мо, W, Со і Si затримують роз­пад мартенситу до температур 450...500 °С.

Інтенсивність дифузії легувальних елементів у залізі зрос­тає при температурах сталей понад 300...400 °С. Тоді створю­ються умови для утворення тривких спеціальних (утворених на основі легувальних елементів) карбідів або легованого це­ментиту та розчинення нетривких карбідів типу цементиту. Легувальні елементи впливають також на швидкість коагуля­ції карбідних частинок. Нікель пришвидшує коагуляцію, тоді як Сг, Мо, W, V гальмують її. Тому при однаковій температу­рі нагрівання леговані зазначеними елементами сталі мають дрібні карбіди й відповідно більшу міцність, ніж сталі з гру­бими карбідами.