Микроструктура углеродистых сталей после закалки

Закалку изделий из углеродистых сталей производят в целях повышения характеристик прочности, твердости и износостойкости. Наиболее распространенным режимом закалки является нагрев до температуры на 20-50°С выше Ас₃ (для доэвтектоидных сталей) и на 20-50°С выше Ас₁ (для заэвтектоидных), выдержка (для выравнивания температуры по сечению изделия) и охлаждение со скоростью, равной или больше критической (для углеродистых сталей обычно в воде).

По диаграмме «железо-цементит» (рис. 1) видно, что при нагреве под закалку доэвтектоидная сталь приобретает однофазную аустенитную структуру, а заэвтектоидная – двухфазную: аустенит + цементит вторичный (структуры аналогичны получаемым при нагреве для отжига).

При охлаждении доэвтектоидной стали из аустенитного состояния со скоростью, равной или больше критической (V_кр или V₅ на рис. 2), температура стали снижается настолько интенсивно, что выделение феррита и образование перлита путем диффузионного распада аустенита не успевает произойти. Аустенит существенно переохлаждается относительно точки Аr₁. Так как диффузионные процессы при сравнительно низких температурах значительно затормаживаются, то перестройка решетки, необходимая для полиморфного превращения Fe_γ → Fe_α , происходит по сдвиговому (бездиффузионному) механизму и практически реализуется, начиная с температуры около 300°С и ниже. При этом углерод, входящий в состав переохлажденного аустенита, не выделяется из решетки Fe_α , а образует пересыщенный твердый раствор – мартенсит закалки.

Таким образом, в пересыщенном твердом растворе на основе α-железа углерода содержится во много раз больше, чем в равновесном состоянии. Соответственно кубическая объемноцентрированная решетка α-железа искажается (вытягивается в направлении одного ребра) и приобретает форму тетрагональной призмы. Отношение длины вытянутого ребра (с) к длине неискаженного ребра (а) характеризует степень тетрагональности (с/а) кристаллической решетки. Последняя прямо пропорциональна концентрации углерода.

Мартенсит характеризуется высокой твердостью HRC 50÷62 (НВ 500÷630) и имеет низкую пластичность и вязкость. Под оптическим микроскопом при увеличении в 200-1500 раз мартенсит просматривается как светлая (слаботравящаяся) структура игольчатого строения (рис. 6, а). Иглы (точнее пластины) мартенсита ориентированы друг относительно друга под углами 60 или 120°. Размеры игл зависят от содержания углерода в стали и размеров исходного зерна аустенита, из которого образуется мартенсит.

Мартенситное превращение происходит в интервале температур М_н – М_к (М_к – температура конца мартенситного превращения). Уровень температур М_н и М_к понижается с увеличением содержания углерода в стали, и при концентрации углерода больше 0,6% точка М_к опускается ниже 0°С. В связи с этим в закаленной стали при комнатной температуре сохраняется некоторое количество так называемого остаточного аустенита.

При закалке заэвтектоидных сталей, имеющих в момент нагрева структуру аустенит + цементит вторичный, в процессе охлаждения превращение претерпевает только аустенит. После закалки заэвтектоидные стали имеют структуру мартенсит + вторичный цементит + аустенит остаточный (рис. 6, б). Остаточный аустенит в связи с небольшим его количеством под микроскопом не просматривается. Иглы мартенсита в заэвтектоидных сталях настолько дисперсны (это связано с высоким содержанием углерода), что при увеличениях до 500 практически не различаются.

а)	б)
Рис. 6. Микроструктура углеродистых сталей после закалки:
а) микроструктура доэвтектоидной стали после закалки в воду (мартенсит + аустенит остаточный), х500	б) микроструктура заэвтектоидной стали после закалки (мартенсит + аустенит остаточный + цементит вторичный), х500

При охлаждении стали из аустенитного состояния со скоростями меньше критической (V₂, V₃, V₄ на рис. 2), но выше скорости, обеспечивающей равновесный переход аустенита в перлит, происходит превращение переохлажденного аустенита с образованием перлитообразных структур по реакциям

троостит, сорбит

Превращение совершается диффузионным путем. Первая реакция протекает при охлаждении со скоростями V₂ и V₃ (рис. 2), когда имеет место полное превращение аустенита в неравновесные феррито-цементитные смеси. Вторая идет при некоторой промежуточной скорости охлаждения V₄, которая на первом этапе (до встречи луча V₄ с линией М_н на рис. 2) обеспечивает диффузионное превращение части аустенита в феррито-цементитную смесь. Чем больше скорость охлаждения в области диффузионного превращения, тем выше дисперсность феррито-цементитной смеси. По степени дисперсности (в порядке увеличения) различают сорбит с межпластиночным расстоянием 0,25 мкм и твердостью 250– 300 НВ и троостит с межпластиночным расстоянием 0,1мкм и твердостью 300 – 400 НВ.

Структуру сорбит закалки углеродистая сталь часто приобретает в условиях ускоренного охлаждения (в струе воздуха). Преднамеренная обработка на структуру троостит закалки в производственных условиях проводится крайне редко.

Отклонения от оптимального режима закалки могут вызвать следующие изменения в структуре и свойствах стали.

Нагрев доэвтектоидной стали до температуры выше оптимальной (перегрев) сопровождается ростом зерна аустенита. При охлаждении из этого состояния со скоростью, равной или больше критической, формируется структура крупноигольчатого мартенсита (рис. 7, а). Сталь, получившая в результате закалки такую структуру, характеризуется пониженной вязкостью.

Нагрев при закалке до температуры ниже оптимальной (недогрев), например, нагрев доэвтектоидной стали до температур Ас₁ – Ас₃ приводит к тому, что сталь получает в процессе нагрева двухфазную структуру аустенит + феррит (см. рис. 1). В этом случае при скорости охлаждения, равной или больше критической, аустенит превращается в мартенсит, а феррит не претерпевает превращения. Сталь получает структуру мартенсит + феррит (рис. 7, б). В связи с наличием в структуре мягких зерен феррита сталь имеет пониженную твердость.

При оптимальной температуре нагрева доэвтектоидной стали, но недостаточно высокой скорости охлаждения (V₄ на рис. 2), например, в масло, успевает произойти частичный распад аустенита с образованием троостита закалки. При этом сталь получает стркуктуру мартенсит + троостит (рис. 7, в). Троостит весьма дисперсен и характеризуется повышенной травимостью в сравнении

с мартенситом, поэтому под микроскопом он просматривается в виде темных участков (часто по границам зерен). Так как троостит

имеет меньшую твердость, чем мартенсит, то и общая твердость стали соответственно снижается.

а)	б)
в)
	Рис. 7. Микроструктура доэвтектоидной стали, закаленной с отклонением по режиму: а) перегрев (мартенсит крупноигольчатый), х500 б) недогрев (мартенсит + феррит), х500 в) низкая скорость охлаждения (мартенсит + троостит), х500