Изменение свойств сплавов при закалке на мартенсит

Важнейшее явление, сопровождающее закалку на мартенсит – упрочнение, повышение твердости. Именно благодаря упрочнению и была открыта в древности, а затем широко использована закалка сталей.

Упрочнение при закалке стали на мартенсит является результатом действия нескольких механизмов торможения дислокаций.

Важнейшая роль во всех теориях упрочнения при закалке сталей справедливо отводится углероду. Однако необходимо иметь в виду, что мартенситное превращение в чистом железе и в безуглеродистых сплавах способно привести к повышению прочностных свойств в 3–4 раза по сравнению с отожженным состоянием. Так, по сравнению с обычной ферритной структурой твердость железа в результате мартенситного превращения возрастает с 60 до 200 HV, а предел прочности – с 200 до 900 МПа. У отожженного сплава железа с 8% Cr и 0,45% Ni предел текучести равен 220 МПа, а у закаленного с 1000° С он составляет 800 МПа.

Мартенсит в отличие от фазы того же химического состава, но образовавшейся при медленном охлаждении вследствие неупорядоченной перестройки решетки, характеризуется повышенной плотностью дефектов: двойниковых прослоек и дислокаций (см. § 34). Плотность дислокаций в мартенсите доходит до 10¹⁰– 10¹² см^-2, т. е. по порядку величины такая же, как и в холодно- деформированном металле. Границы двойников и сплетения дислокаций служат барьером для скользящих дислокаций, т. е. упрочняют мартенсит. Фазовый наклеп, возникающий при мартенситном превращении, в той или иной степени вносит вклад в упрочнение всех металлов и сплавов, закаливаемых на мартенсит.

Рассмотрим роль углерода в упрочнении мартенсита сталей. При закалке сталей достигается значительно большее упрочнение, чем в без углеродистых железных сплавах, причем эффект закалки повышается с увеличением содержания углерода в аустените (рис. 121).

Рис. 121. Влияние содержания углерода в стали на закаливаемость

Способность стали к повышению твердости при закалке называется закаливаемостью. Закаливаемость характеризуется максимальной твердостью, которая может быть получена при закалке данной марки стали на поверхности изделия.

При мартенситном превращении аустенита образуется пересыщенный раствор углерода в α-железе и тем сильнее пересыщенный, чем больше углерода содержит аустенит. Интересно, что с ростом содержания углерода в мартенсите межатомные силы не только не усиливаются, а наоборот, даже несколько ослабевают. Это обусловлено увеличением расстояний между атомами железа под действием внедренных атомов углерода. Тем не менее углерод повышает твердость мартенсита. Объясняется это прежде всего тем, что атомы углерода, внедренные в решетку α-железа, затрудняют скольжение дислокаций в мартенсите (так называемый твердорастворный механизм упрочнения).

Другие механизмы упрочняющего влияния углерода связаны с взаимодействием его атомов с дефектами решетки. В период закалки или при вылеживании стали после закалки атомы углерода в кристаллах мартенсита образуют атмосферы на дислокациях, закрепляя их. Образование коттрелловских атмосфер при комнатной температуре завершается примерно за 1–2 ч.

Диффузионное перераспределение углерода в период закалочного охлаждения или после закалки может дойти до стадии выделения из мартенсита дисперсных частиц карбида, вносящих свой вклад в упрочнение стали. В сталях с высокой точкой М_н, например в углеродистых, содержащих менее 0,5% С (М_н > 300° С, см. рис. 99), в период закалочного охлаждения в мартенситном интервале создаются наиболее благоприятные условия для частичного распада мартенсита с выделением дисперсных частиц карбидов, т. е. самоотпуска (см. § 48). Кроме того, в любых сталях углерод при обычных скоростях закалки успевает образовывать сегрегации на дефектах решетки аустенита в период охлаждения стали выше точки М_н. Сегрегации углерода в аустените наследуются мартенситом, а поскольку он и так пересыщен углеродом, то эти сегрегации становятся местами зарождения частиц карбида.

Из-за действия указанных выше механизмов упрочнения углерод оказывает столь сильное упрочняющее влияние на мартенсит, что твердость закаленной стали практически не зависит от содержания легирующих элементов, растворенных в мартенсите по способу замещения, а определяется только концентрацией углерода.

Суммируя, можно заключить, что сильное упрочнение сталей при закалке на мартенсит, обусловлено образованием пересыщенного углеродом α-раствора, появлением большого числа двойниковых прослоек и повышением плотности дислокации при мартенситном превращении, образованием на дислокациях атмосфер из атомов углерода и выделением из α-раствора дисперсных частиц карбида. Вклад каждого из этих факторов в общее упрочнение при закалке окончательно не установлен.

Начинающие изучать термическую обработку часто рассматривают сильное упрочнение при закалке сталей как явление, исключительное по своему эффекту, по приросту твердости. Обратимся к фактам. Твердость эвтектоидной стали в отожженном состоянии составляет 180 НВ, а в закаленном 650 НВ. Следовательно, закалка повышает ее твердость в 3,5 раза.