6. Превращение мартенсита и остаточного аустенита при нагреве.

Термическую обработку, заключающуюся в нагреве закаленной стали до температуры ниже точки Aс₁, называют отпуском.

Структура закаленной стали — мартенсит и остаточный аустенит являются неравновесными фазами. Переход стали в более устойчивое состояние должен сопровождаться распадом мартенсита и остаточного аустенита с образованием структуры, состоящей из феррита и цементита. Распад этих фаз идет по диффузионному механизму, и поэтому скорость процесса обусловлена температурой нагрева. Из указанных фаз при нагреве в первую очередь начинает распадаться мартенсит.

Распад мартенсита (первое превращение при отпуске). На первой стадии превращения, при температуре ниже 200ºС, в кристаллах мартенсита образуются карбиды, на образование которых расходуется углерод только из тех участков мартенсита, которые непосредственно окружают выделившиеся кристаллы карбидов. Концентрация углерода в этих участках резко снижается, по сравнению с остальными.

Таким образом, после нагрева до низких температур в стали, наряду с частицами выделившихся карбидов, присутствуют два α-твердых раствора (мартенсита) с более высокой и низкой концентрацией углерода (двухфазный мартенсит).

При температурах меньше 200ºС скорость диффузии мала, поэтому образующиеся частицы карбидов не увеличиваются, а распад мартенсита сопровождается выделением новых частиц карбидов. выделившиеся частицы карбидов имеют пластинчатую форму.

Вторая стадия распада мартенсита протекает при температурах 200–350ºС. На этой стадии продолжается выделение карбидов из мартенсита. При этих температурах диффузия углерода возрастает и кристаллы карбидов укрупняются, в результате притоков атомов углерода из областей твердого раствора.

Мартенсит, образующийся после низкотемпературного отпуска имеет в своей структуре гексагональный ε-карбид (Fe₂C).

Структуру, образующуюся в результате распада мартенсита при температурах ниже 350ºС, называют отпущенным мартенситом, который отличается от мартенсита закалки меньшей концентрацией в нем углерода и включением дисперсных кристалликов ε-карбидов, когерентно связанных с решеткой мартенсита.

Содержание углерода в отпущенном мартенсите определяется температурой нагрева, продолжительностью выдержки и составом исходного мартенсита. Чем выше температура отпуска, тем меньше содержание углерода в твердом растворе (мартенсите). С увеличением времени выдержки наблюдается сначала интенсивное выделение углерода, а затем процесс замедляется и при больших выдержках практически прекращается.

Легирующие элементы оказывают незначительное влияние на распад мартенсита только при температурах ниже 200ºС. При более высоких температурах введение в сталь Cr, Мo, W, V, Si, Ti сильно замедляет процесс распада мартенсита, образования и роста частиц карбидов.

Превращение остаточного аустенита (второе превращение при отпуске). При отпуске многих легированных сталей, содержащих повышенное количество остаточного аустенита, при температуре 200-300ºС происходит промежуточное превращение, но структурное состояние продуктов распада аустенита отличается от получаемых при превращении мартенсита.

Снятие внутренних напряжений и карбидное превращение (третье превращение).

При температуре 350-400ºС полностью завершается процесс выделения углерода из мартенсита, то есть происходит обособление решеток феррита и карбида с одновременным протеканием карбидного превращения с образованием цементита. Кроме того, изменяются размеры и форма карбидных частиц, она приближаются к сфероидальным. Наряду с карбидным превращением происходит релаксация микро- и макронапряжений, возникших при закалке. Образующуюся при этой температуре структуру называют трооститом отпуска.

Коагуляция карбидов при температуре 500-680ºС (четвертое превращение при отпуске). Повышение температуры до 400-500ºС во многих высокоуглеродистых и легированных сталях не приводит к изменению фазового состава. Однако с повышением температуры протекает процесс сфероидизации карбидов. Этот процесс происходит вследствие переноса атомов углерода через α-твердый раствор при растворении более мелких и росте более крупных частиц цементита при обеднении углеродом этого твердого раствора.

Частицы карбидов в структуре троостита или сорбита отпуска, в отличие от частиц троостита и сорбита закалки, имеют зернистое строение. Такая структура стали улучшает многие ее свойства. При одинаковой твердости, пределе прочности и пластичности сталь с зернистой структурой имеет более высокие значения предела текучести, ударной вязкости и относительного сужения.

Легирующие элементы Mo, Cr, W, V замедляют процесс коагуляции. При высоких температурах возможно перераспределение легирующих элементов между ферритом и цементитом. Карбидообразующие элементы (Mo, Cr, W, V) переходят из феррита в цементит, а некарбидообразующие (Ni, Co, Si) – из цементита в феррит. Обогащение цементита до предела насыщения легирующими элементами приводит к его превращению в специальный карбид, который образуется в тех местах, где раньше были частицы цементита. Возможно также и прямое выделение частиц специальных карбидов, вызывающих эффект дисперсионного твердения.