4. Теория термической обработки стали. Мартенситное превращение в сталях.

Мартенсит—упорядоченный пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в -железе. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в -железе составляет 0,02%, то в мартенсите его количество может достигать 2,14%.

Мартенситное превращение происходит только в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлажден до низких температур, то есть когда диффузионные процессы невозможны. Мартенситное превращение не сопровождается изменением состава твердого раствора.

Кристаллы мартенсита зарождаются в дефектных участках, где есть дислокации. В процессе роста кристалла мартенсита увеличиваются упругие напряжения в области когерентного сопряжения мартенсита и аустенита, что приводит к пластической деформации и образованию границы раздела с неупорядоченным расположением атомов.

Кристаллы мартенсита ориентационно связаны с решеткой аустенита, а значит их рост во всех направлениях неодинаков. В зависимости от состава стали и температуры мартенсит может иметь пластинчатое или реечное строение.

Пластинчатый мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях. Размеры пластин (игл, в плоскости шлифа) зависят от размеров зерен исходного аустенита. Пластины мартенсита тем больше, чем крупнее аустенитные зерна.

Реечный мартенсит чаще образуется при охлаждении конструкционных легированных сталей и имеет форму реек, вытянутых в одном направлении.

Ч

Рис. 21. Образование мартенсита.

тобы началось образование мартенсита сталь необходимо непрерывно охлаждать ниже температуры М_н. Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение полностью завершается.

Чем ниже температура, тем больше образуется мартенсита. Причем количество мартенсита увеличивается не за счет роста кристаллов, а за счет образования новых кристаллов. По достижении определенной температуры, М_к, процесс превращения аустенита в мартенсит прекращается. Положение точек М_н и М_к не зависит от скорости охлаждения. Чем больше в аустените углерода, тем ниже эти температуры. Все легирующие элементы, кроме Al и Co понижают точки М_н и М_к.

Мартенситное превращение не протекает до конца, то есть присутствует определенное количество остаточного аустенита. Его количество тем больше, чем ниже температуры М_н и М_к и выше содержание в стали легирующих элементов и углерода.

Характерной особенностью мартенсита является его высокая твердость и прочность. Твердость возрастает с увеличением содержания углерода. Однако с увеличением содержания углерода возрастает склонность мартенсита к хрупкому разрушению. Повышенное содержание углерода в твердом растворе повышает электросопротивление мартенситных сталей и понижает магнитную проницаемость.

5. Влияние легирующих элементов на устойчивость переохлажденного аустенита. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении.

Механизм распада аустенита, рассмотренный ранее, справедлив только для углеродистых и низколегированных сталей.

В легированных сталях, содержащих кроме аустенита карбидообразующие элементы, перлитное превращение сводится к полиморфному превращению γ→α и диффузионному перераспределению углерода и легирующих элементов, что приводит к образованию легированного перлита (легированный феррит+легированный цементит).

Все легирующие элементы (за исключением Co) увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного превращения, то есть кривые изотермического превращения (начала и конца распада аустенита) сдвигаются в область большего времени выдержки. Причиной высокой устойчивости переохлажденного аустенита является то, что в результате распада легированного аустенита образуются легированный цементит или специальный карбид.

Для образования такой ферритно-карбидной структуры между γ-твердым раствором и карбидом должно произойти перераспределение углерода и легирующих элементов. Карбидообразующие элементы переходят в карбиды, а элементы, не образующие карбидов – в феррит. Замедление распада аустенита объясняется малой скоростью диффузии легирующих элементов в аустените и уменьшением скорости диффузии углерода под влиянием карбидообразующих элементов.

Кроме того, все легирующие элементы уменьшают скорость полиморфного превращения γ→α, которое находится в основе распада аустенита.

Особенно повышается устойчивость переохлажденного аустенита при одновременном введении в сталь таких легирующих элементов, как Cr и Ni, Cr и Mo, при том в повышенном количестве.

Схематическая диаграмма, показывающая влияние скорости охлаждения на температуру распада аустенита показана на рис. 22.

Ч

Рис. 22. Кривые охлаждения и диаграмма

изотермического распада аустенита.

ем больше скорость охлаждения и ниже температура распада аустенита, тем дисперснее образующаяся ферритно-цементитная структура. Следовательно, при небольшой скорости охлаждения V₁ образуется перлит; при большей скорости охлаждения V₂ — сорбит и еще большей V₃ — троостит. При высоких скоростях охлаждения V₄ часть аустенита переохлаждается до точки M_н и превращается в мартенсит.

При очень большой скорости охлаждения диффузионный распад аустенита становится невозможным, и тогда аустенит переохлаждается до точки M_н и при дальнейшем охлаждении превращается в мартенсит (кривая V₅). Превращение аустенита в мартенсит не идет до конца, поэтому в закаленной стали всегда присутствует некоторое количество остаточного аустенита.

Минимальную скорость охлаждения (кривая V_к), при которой весь аустенит переохлаждается до точки M_н и превращается в мартенсит, называют критической скоростью закалки.

Критическая скорость закалки для всех сталей различна. Чем больше устойчивость аустенита, тем меньше критическая скорость закалки. Чем крупнее зерно аустенита и чем больше его однородность (т. е. чем выше температура нагрева), тем выше устойчивость переохлажденного аустенита и меньше критическая скорость закалки.

Все легирующие элементы, кроме Co, повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки.