3. Превращение аустенита в мартенсит при закалке сталей.

При больших степенях переохлаждения возрастает неустойчивость аустенита, а скорость диффузии углерода резко падает. В эвтектоидной стали при переохлаждении аустенита до 240ºС подавляется распад аустенита на смесь (Ф+Ц) и происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит А→М.

Данное превращение имеет место при высоких скоростях охлаждения, когда диффузионные процессы подавляются. Сопровождается полиморфным превращением γ-Fe → α-Fe.

При образовании мартенсита кубическая решетка феррита сильно искажается, превращаясь в тетрагональную (рис. 3, а). Искажение решетки характеризуется степенью тетрагональности: с/а > 1. Степень тетрагональности прямо пропорциональна содержанию углерода в стали (рис. 3, б). Так как процесс диффузии не происходит, то весь углерод аустенита остается в решетке α-Fe. Поэтому мартенсит – это пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe.

Минимальная скорость охлаждения Vк, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения (температуры Мн), называется критической скоростью закалки.

При охлаждении стали со скоростью, большей критической (V > Vкр), превращение начинается при температуре начала мартенситного превращения (Мн) и заканчивается при температуре окончания мартенситного превращения (Мк). В результате такого превращения аустенита образуется продукт закалки – мартенсит.

Р исунок 3 – Кристаллическая решетка мартенсита (а); влияние содержания углерода на параметры а и с решетки мартенсита (б)

Мартенсит имеет высокую твердость (до 65HRC) и хрупкость. Высокая твердость мартенсита обусловлена искажениями кристаллической решетки, а также возникновением фазового наклепа за счет увеличения объема при превращении А→М. Кристаллы мартенсита имеют форму пластин или игл, размер которых зависит от размера исходных зерен аустенита.

Мартенситное превращение имеет следующие характерные черты:

1) идет при непрерывном охлаждении в интервале температур Мн и Мк;

2) мартенситные точки зависят от химического состава стали, прежде всего, от содержания углерода (рис. 4);

3) кристаллы мартенсита образуются и растут с высокой скоростью, близкой к v_звука в твердом теле;

4) превращение А→М не идет до конца: в стали после закалки всегда существует так называемый остаточный аустенит Аост.

4. Превращения при отпуске закаленной стали.

Мартенсит закалки – неравновесная структура, сохраняющаяся при низких температурах. Для получения более равновесной структуры изделия подвергают отпуску.

Исходная структура закаленной стали состоит из мартенсита и некоторого количества остаточного аустенита. При нагреве эта структура претерпевает изменения.

При нагреве до 200ºС происходит перераспределение углерода в мартенсите. Из мартенсита выделяются необособленные мельчайшие частицы карбидов. Эти зародыши карбидной фазы имеют вид пластинок толщиной несколько атомных диаметров. На образование карбидов углерод расходуется только из участков мартенсита, окружающих кристаллы выделившихся карбидов. Концентрация углерода на этих участках резко падает, тогда как удаленные участки сохраняют концентрацию углерода. Таким образом, образуется структура с неравномерным распределением углерода – это мартенсит отпуска. При этом решетка мартенсита из тетрагональной становится близкой к кубической.

Р исунок 4 – Зависимость температур начала (Мн) и конца (Мк) мартенситного превращения от содержания углерода в стали

При нагреве до 300ºС идет рост образовавшихся карбидов. Диффузия углерода увеличивается и карбиды растут в результате притока углерода из областей твердого раствора с высокой его концентрацией. В высокоуглеродистых сталях аустенит остаточный А_ост превращается в мартенсит отпуска. Наблюдается снижение тетрагональности решетки и внутренних напряжений. Структура – мартенсит отпуска.

При нагреве до 400ºС весь избыточный углерод выделяется из α-Fe. Карбидные частицы полностью обособляются, образуя цементит, и начинают расти. Форма карбидных частиц приближается к сферической. Высокодисперсная смесь феррита и цементита называется троостит отпуска.

При нагревах выше 400ºС изменения фазового состава не происходит, изменяется только микроструктура. Имеет место рост и сфероидизация цементита.

При температуре 550…600ºС происходит коагуляция карбидов и образуется структура сорбита отпуска. Карбиды имеют зернистое строение. Улучшаются свойства стали.

При температуре 650…700ºС получают более грубую ферритно- цементитную смесь – перлит отпуска (зернистый перлит).

Зернистые феррито-цементитные смеси имеют более высокие механические свойства, чем пластинчатые структуры, образующиеся при закалке, а также имеют более высокую пластичность и вязкость при равной твердости.