Теория термической 
обработки
Отпуск
1
Отпуск сталей
Отпуск – это термическая обработка закаленного на мартенсит сплава (или металла), при которой главными процессами являются распад и (или) возврат и рекристаллизация мартенсита.
Структура закаленной стали метастабильна.
Характер процессов изменяющих структуру стали в направлении к более равновесному состоянию определяется тремя особенностями строения закаленной стали:
сильной пересыщенностью твердого раствора – мартенсита,
повышенной плотностью дефектов кристаллической решетки – дислокаций, малоугловых и высокоугловых границ, двойниковых прослоек,
присутствием во многих сталях значительных количеств остаточного аустенита.
2
Распад мартенсита с выделением карбидов – главный процесс при отпуске сталей.
Распад мартенсита в зависимости от температуры и продолжительности отпуска проходит через следующие стадии:
образование предвыделений,
выделение промежуточных метастабильных карбидов,
выделение цементита,коагуляция.
Структурные изменения при отпуске могут осложняться распадом остаточного аустенита.
3
Структурные изменения при отпуске углеродистых сталей
Характер структурных изменений при отпуске углеродистых сталей зависит от температуры, продолжительности отпуска и содержания углерода в стали.
Отпуск сталей характеризуется следующими структурными изменениями
Образование сегрегаций углеродаВыделение промежуточных карбидовОбразование цементитаКоагуляция и сферодизация цементитаРаспад остаточного аустенита
Уменьшение концентрации углерода в ферритеВозврат и рекристаллизация в феррите
4
Превращения при отпуске углеродистых сталей
Первое превращение. (100-200оС) Из мартенсита выделяется часть углерода в виде метастабильного ε-карбида, имеющего ГП решетку и состав близкий к Fe2C и когерентный с решеткой мартенсита. Первое превращение идет с очень малой скоростью и без нагрева.
Второе превращение. (200-300оС) Одновременно происходит несколько процессов: распад мартенсита, распад остаточного аустенита и карбидное превращение. Распад остаточного аустенита происходит по механизму бейнитной реакции: образуется смесь низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов. При температурах около 250оС начинается превращение ε-карбида в цементит, при этом когерентность решеток твердого раствора и карбида нарушаются.
Третье превращение. (300-400оС) Завершаются распад мартенсита и карбидное превращение. Из мартенсита выделяется весь пересыщающий углерод в виде карбидов, мартенсит переходит в
феррит. После отпуска при температуре выше 400оС в структуре стали
обнаруживается только карбид цементитного типа. |
5 |
Структуру, получающуюся после отпуска
стали при температурах ниже 300 °С, называют отпущенным мартенситом. Под микроскопом он отличается от мартенсита закалки большей травимостью из-за выделений карбидов.
После отпуска при 300 – 450 °С обнаруживается особенно сильно
травящаяся игольчатая структура, которую называют трооститом отпуска.
В интервале температур 450 – 650 °С получается сорбит отпуска. Его двухфазное строение отчетливо выявляется при больших увеличениях светового микроскопа. Высокие температуры отпуска приводят к потере игольчатого вида сорбита, который приобретает явно точечное строение.
6
Влияние легирующих элементов
На первую стадию распада мартенсита, т. е. на «двухфазный» распад при температурах ниже 150° С, легирующие элементы не оказывают какого-либо существенного для практики влияния.
На вторую стадию распада мартенсита многие легирующие элементы влияют очень сильно, замедляя рост карбидных частиц и сохраняя пересыщенность α-раствора углеродом, т.е. сохраняя состояние отпущенного мартенсита до температур 450–500 °С.
Так действуют добавки Cr, W, Mo, V, Со и Si.
Задержка распада мартенсита объясняется двумя причинами. Во-первых, такие легирующие элементы, как V, Mo и Cr,
снижают скорость диффузии углерода в α-растворе. Однако Co и Si не уменьшают коэффициент диффузии углерода в железе.
Другая причина – повышение прочности межатомных связей в решетке α-раствора под влиянием таких элементов, как Со, Si, Cr, Мо и W, при котором затрудняется переход атомов через границу α- раствор – карбид и, следовательно, затрудняется распад
мартенсита. |
7 |
Влияние легирующих элементов
На карбидные превращения при отпуске легирующие элементы сильно влияют при температурах выше ~450°С, когда становится возможным их диффузионное перераспределение. В результате этого влияния образуются специальные карбиды.
Два механизма их появления.
1) концентрация карбидообразующего легирующего элемента в результате его диффузионного перераспределения между α- раствором и цементитом возрастает до такой величины в цементите, что он превращается в специальный карбид.
Например, (Fe, Cr)3С так превращается в карбид хрома (Cr,
Fe)7C3.
2) специальный карбид может зародиться прямо в пересыщенном легирующим элементом α-растворе.
Последовательность карбидообразования: Fe3C Ме2С Ме23С6 Ме6С.
8
Отпуск мартенситно-стареющих сталей
Мартенситно-стареющие стали – это безуглеродистые сплавы на базе системы Fe – Ni, легированные дополнительно Co, Mo, Ti и другими элементами. Пример: Fe – 17–19% Ni, 7–9% Со, 4,5–5% Мо и 0,6–0,9% Ti (Н18К9М5Т).
МСС после воздушной закалки на мартенсит подвергают отпуску при 480–500° С. Отпуск приводит к сильному дисперсионному твердению вследствие выделения интерметаллидов из мартенсита, пересыщенного легирующими элементами. По аналогии с
дисперсионным твердением алюминиевых, медных и др. сплавов этот процесс термообработки был назван старением, а так как
исходной структурой является мартенсит, то сами стали были названы мартенситно-стареющими.
В структуре промышленных мартенситно-стареющих сталей на стадии максимального упрочнения находятся частично когерентные выделения промежуточных метастабильных фаз Ni3Mo и Ni3Ti или
Ni3(Mo, Ti). Фаза Ni3Ti с г.п. решеткой подобна гексагональному ε-
карбиду в углеродистых сталях.
9
Изменение механических свойств углеродистых сталей после отпуска
Зависимость твердости углеродистых сталей разного состава от температуры отпуска
Влияние температуры отпуска на механические свойства стали 45
10