щ

І’ис. 180. Субструктура мартенситних кристалів при вивченні в електронному мікроскопі “на просвіт”, ч20000. Пластини мартенситу складаються з великої кількості близько розташованих двійників.

В ділянках залишкового аустеніту спостерігається підвищена ^цільність дислокацій.

ільність їх набагато менша, ніж у мідрибі пластинчастого мартенситу, а багато рейок зовсім не мають двійників.

Субструктура залишкового аустеніту відрізняється від субструктури вихідного аустеніту більшою щільністю невдоскона- лень, які з'являються під час локальної пластичної деформації, викликаної тиском зростаючих мартенситних кристалів. В аустеніті поблизу мартенситних кристалів спостерігаються площинні скупчення дислокацій, дислокаційні сплетіння і дефекти упаковки.

Однією з особливостей мартенситного перетворення є, так звана, стабілізація аустеніту. Якщо-на деякий час затримати охолодження при температурі нижче Мп, наприклад, при 20°С, то аустеніт, не перетворений в мартенсит, стає стабільним. Це прояв- миється в тому, що продовження зниження температури охолодження через деякий час витримки при 20°С може не дати відповідного ефекту переходу А—уМ, і загальна кількість утвореного

мартенситу буде меншою, ніж після безперервного охолодження. Температура, нижче якої відбувається цей ефект стабілізації, позначається Мс. Явище стабілізації інколи пояснюють релаксацією напружень, які стимулюють мартенситне перетворення.

2. Властивості сталей і сплавів після загартування на мартенсит

Після загартування сталей з достатньою кількістю вуглецю значно підвищується її твердість і міцність, і різко знижуються усі показники пластичності й в'язкості. Природа сильного зміцнення під час загартування сталей вивчалась на протязі всього XX століття найвидатнішими вченими-металознавцями. В наш час можна вже стверджувати, що механізм зміцнення при мартенситному перетворенні цілком з'ясований, але й досі існують моменти, які потребують пояснень. Спочатку вчені намагались пояснити велике зміцнення загартованої сталі якоюсь однією причиною, але експериментально це не підтверджувалось. Визнання теорії дислокацій привело до правильного висновку, що зміцнення під час загартування сталі на мартенсит являється результатом дії декількох механізмів гальмування дислокацій.

Важливіша роль у всіх теоріях зміцнення загартованих сталей відводиться вуглецю. Так, наприклад, границя міцності (о_в) низьковуглецевого мартенситу (-0,02 5%С) складає 1000 МПа, а при збільшенні вуглецю до 0,6-0,8%С досягає 2600-2700 МПа. Однак, слід мати на увазі, що мартенситне перетворення в чистому залізі і в безвуглецевих сплавах теж може привести до підвищення міцностних властивостей в 3- 4 рази порівняно з відпаленим станом. Мартенсит відрізняється від рівноважних структур, формування яких проходить в умовах повільного охолодження, тим, що в ньому утворюється підвищена щільність дефектів: двійникових прошарків і дислокацій. Межі двійників і сплетіння дислокацій служатц бар'єром для ковзних дислокацій, що й зміцнює мартенсит. Таким чином, фазовий наклеп вносить свою частку в підвищення міцності мартенситу.

Здатність сталі до підвищення твердості під час загартування називається загартовуваністю. Іншими словами це є максимальна твердість, яка може бути одержана після загартування даної марки

сталі на поверхні виробу. Роль вуглецю в зміцненні загартованих сталей заключається в тому, що, знаходячись в кристалічній решітці /•'е_а, він її пружно викривлює (спотворює) і перетворює в тетрагональну. Інший механізм зміцнюючого впливу вуглецю - це взаємодія його атомів з дефектами решітки. В період загартування (або після нього) атоми вуглецю в кристалах мартенситу утворюють атмосфери на дислокаціях, закріплюючи їх. Крім того, деяке дифузійне перерозподілення вуглецю в період охолодження (або після) може дійти до стадії виділення із мартенситу дисперсних частинок карбіду, вносячих свою частку в зміцнення сталі. Можуть також утворюватись сегрегації вуглецю в аустеніті, які наслідуються мартенситом і становляться місцями зародження частинок карбідів.

Отже, вуглець чинить такий сильний зміцнюючий вплив на мартенсит, що твердість загартованих сталей практично не залежить від вмісту легуючих елементів, а визначається концентрацією вуглецю. На рис. 181 показано, як впливає збільшення вуглецю в сталі на твердість її після відпалу і після загартування.

П ідсумовуючи вищесказане, можна відзначити, що сильне зміцнення сталей при загартуванні на мартенсит обумовлено утворенням перенасиченого вуглецем а-роз- чину, появою великої кількості дві- йникових прошарків і підвищенням щільності дислокацій при мартен- ситному перетворенні, утворенням на дислокаціях атмосфер із атомів вуглецю і виділенням із а- розчину дисперсних часток карбідів.

Загартування вуглецевих сталей призводить до різкого зниження всіх показників пластичності, зростає схильність до крихкого руйнування. Мартенсит, який містить більше 0,35- 0,40%С, має 0 0,4 0,8 1,2 1,6 %С знижений опір зародженню тріщин

, (вміст за масою) і особливо низькі значення

Гис. 181. Вплив вмісту вуглецю на в'язкості руйнування К-і_с. Але

твердість сталі після відпалу і крихкість мартенситу не являється після загартування.

загальною властивістю всіх мартенситних утворень. Утворення мартенситу в безвуглецевих залізних сплавах і сплавах кольорових металів не супроводжується появою крихкості. Основною причиною крихкості мартенситу в сплавах заліза є присутність в ОЦК-решітці елементів проникнення - вуглецю і азоту. Крихкість мартенситу зв'язана з утворенням атмосфер із атомів цих елементів на дефектах кристалічної будови. Збільшення питомого об'єму під час утворення мартенситу являється однією з основних причин виникнення при загартуванні великих внутрішніх напружень, які спричиняють деформацію виробів і появу тріщин.

Пластичність сплавів різко зростає, якщо вивести із їх складу вуглець. Наприклад, мартенситно-старіючі сталі, в яких практично вуглець відсутній, але є в достатній кількості №, Со, Мо, Ті після загартування на мартенсит відрізняються високими показниками пластичності (див. главу 3 частини IV). Це пояснюється тим, що в загартованих мартенситно-старіючих сталях (при вмісті вуглецю не більше 0,03%), дислокації стають незакріплеиими, а N1 і Со знижують опір ковзанню дислокацій. Висока рухомість дислокацій забезпечує релаксацію напружень, підвищуючи опір крихкому руйнуванню. ¹¹

на межах), так і всередині пластинок, а в нижньому бейніті включення карбідів знаходяться тільки всередині пластин а-фази. Феритна фаза в бейніті являється перенасиченим розчином вуглецю в а- іалізц що підтверджує мартенситний характер перетворення.

Кінетика бейнітного перетворення нагадує перлітне перетворення. Так, на діаграмі ізотермічного розпаду аустеніту (рис. 169,172) видно, що бейнітне перетворення має інкубаційний період розпаду; існує початок розпаду і кінець розпаду аустеніту в бейніт. Особливістю є те, що зниження температури збільшує інкубаційний період розпаду, що пояснюється зниженням швидкості дифузії. У багатьох легованих сталях області бейнітного і перлітного перетворення можуть

Рис. 182. Мікроструктура верхнього (а,б) і нижнього (в,г) бейніту.

б ути розділені температурним інтервалом високої стійкості переохолодженого аустеніту, а С-криві початку і кінця бейнітного перетворення зміщені вліво, тобто вбік зменшення часу інкубаційного періоду. Разом з тим, в багатьох легованих сталях бей- нітне перетворення має характерну рису мартенситного перетворення - воно не доходить до повного зникнення аустеніту.

Механізм бейнітного перетворення ще не до кінця з'ясований. Суперечливими являються важливі питання: 1) в якій послідовності відбуваються процеси у—>а перебудови, перерозподілу вуглецю і виділення карбідів; 2) який механізм утворення фериту; 3) з якої фази (аустеніту або фериту) переважно виділяються карбіди.

Більшість фактів говорять про те, що під час бейнітного перетворення ферит утворюється з аустеніту за мартенситним механізмом. При цьому бейнітне перетворення протікає при температурах, коли самодифузія заліза і дифузія легуючих елементів, розчинених в аустеніті, практично неможлива, а дифузія вуглецю ще достатньо висока. Це і визначає особливості бейнітного претворен- ня. Передбачають, що в аустеніті перед початком перетворень відбувається дифузійне розподілення вуглецю, в зв'язку з чим утворюються об'єми, збагачені вуглецем (рис. 183). Ділянки аустеніту з низьким вмістом вуглецю мають високу температуру початку мартенситного перетворення Мп і тому в них йде мартенситне претво- рення у—мх. Майже одночасно йде процес відпускання з утворенням карбідів (цементиту або ^-карбіду).

В ділянках аустеніту, збагачених вуглецем, може спочатку виділитись карбід. При цьому також утворюються ділянки аустеніту, збіднені вуглецем, в яких протікає мартенситне перетворення.

Перенасичення вуглецем а-фази (мартенситу) тим сильніше, чим нижча температура перетворення. В зв'язку з цим, відразу після перетворення (якщо дифузійна рухлиивість при даній температурі достатня) з перенасиченого а-розчину можуть виділятися частинки карбідів.

Відповідно до інших уявлень вуглець перерозподіляється не перед мартенситною у—>а перебудовою решітки, а одразу після неї: вуглець збагачує ділянки аустеніту на межі у/а, і із аустеніту виділяється карбід (І.І.Новіков).

Рис. 183. Схема бейнітного перетворення (Г. Ентін).

Відмінність в будові верхнього і нижнього бейнітів пов'язують і різною рухомістю вуглецю у верхній і нижній областях температурного інтервалу бейнітного перетворення. Припускають, що с труктура нижнього бейніту утворюється, коли первинною є мар- гепситна у—>а перебудова решітки, а вторинним є відпускання - виділення карбіду з перенасиченого а-розчину. Структура верхнього бейніту формується при більш високих температурах, тому ферит і карбід зароджуються прямо в аустеніті. Існує й принципово інше трактування бейнітного перетворення:.воно розглядається, як евтек- гоїдпий розпад аустеніту, який відрізняється від перлітного непла- ітппчастою формою ферито-карбідної суміші.

Механічні властивості бейнітної структури залежать від температури утворення бейніту (рис. 184). Зниження температури ізо- іермічпого перетворення після 500°С підвищує характеристики

міцності (а„ і Сод); твердість після 500-450°С декілька знижується, а потім також зростає. Пластичність (5, у) знижується при температурах переходу від перлітного до бей- нітного перетворення (550- 450°С), а потім при температурах утворення нижнього бейніту (400-350°С) зростає. Знижена пластичність верхнього бейніту пов'язана з тим, що в його структурі уподовж меж перистих кристалів фериту виділяються достатньо грубі карбіди. В нижньому бейніті частинки карбідів знаходяться усередині а-фази, і тому пластичність його більш висока. Взагалі, можна зробити висновок, що сталь із структурою нижнього бейніту має благоприємне поєднання високої міцності і пластичності при достатньо високій ударній в’язкості.

І

Рис. 184. Залежність механічних властивостей евтектоїдної сталі від температури перетворення аустеніту в бейніт.

снують так звані бейнітпі сталі, в яких бейніт утворюється при охолодженні на повітрі. В таких сталях швидкість бейнітного пертворення зростає порівняно з перлітним перетворенням тобто на С-кривій область бейнітного перетворення повинна бути зсунута вліво, ближче до осі координат.

Бейнітні сталі - високоміцні, що пояснюється малими розмірами феритних кристалів, дисперсним виділеннями карбідів, підвищеною щільністю дислокацій, закріплених атомами вуглецю і викривленнями решітки фериту через перенасиченість його вуглецем і легуючими елементами.