6.1.2. Превращения переохлажденного аустенита.

Превращение происходит при переохлаждении аустенита ниже 727С при непрерывном охлаждении или при выдержке при постоянной температуре (изотермическое превращение).

В процессе превращения происходит полиморфное  превращение и диффузионное перераспределение углерода в аустените, что приводит к образованию феррито-цементитной смеси

Ведущей фазой является цементит. Его зародыши образуются на границах аустенитных зерен. В результате роста зерна цементита (содержание углерода в котором 6,67%) прилегающий к нему объем аустенита обедняется углеродом и испытывает полиморфное  превращение. При этом кристаллики феррита зарождаются на границе с цементитом, который облегчает этот процесс.

Рост ферритных пластинок ведет к обогащению окружающего аустенита углеродом. И так далее step by step происходит колониальный (совместный) рост кристалликов феррита и цементита, образующих перлитную колонию.

Однородный аустенит всегда превращается в пластинчатую ферритно-цементитную смесь.

Процесс образования ферритно-цементитной смеси происходит во времени и может быть изображен в виде кинетической кривой.

Начальный период оа₁ – инкубационный период характеризует устойчивость переохлажденного аустенита. С увеличением переохлаждения его устойчивость быстро уменьшается, достигая минимума (t₂) и далее вновь возрастает.

При помощи кинетических кривых строят диаграммы изотермического превращения аустенита (С-образные кривые).

Свойства и строение продуктов распада аустенита зависят от температуры, при которой происходило превращение. Чем больше степень переохлаждения, тем тоньше ферритно-цементитная структура, то есть меньше межпластинчатое расстояние ₀ и выше твердость. Сорбит и тростит также являются ферритно-цементитными структурами, различающимися лишь дисперсностью (₀). Однако, в отличие от перлита (эвтектоида) сорбит и троостит не являются равновесными структурами в сталях и называются квазиэвтектоидами, так как имеют концентрацию углерода отличную от 0,8%.

Следует отметить, что неоднородный аустенит при всех степенях переохлаждения дает зернистую структуру ферритно-цементитной смеси.

Свойства зернистой и пластинчатой ферритно-цементитной смесей отличаются.

В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях в верхнем интервале температур сначала выделяются избыточные фазы – феррит или цементит. Начало выделения избыточных фаз на диаграмме изотермического распада отмечается дополнительной кривой. Количество выделяющейся фазы с понижением температуры уменьшается и при некоторой степени переохлаждения распад начинается непосредственно с образования зародышей квазиэвтектоида.

Увеличение содержания углерода в аустените доэвтектоидной концентрации несколько повышает его устойчивость (С-кривые сдвигаются вправо).

6.1.3. Мартенсит, его строение и свойства.

Если аустенит переохладить до температур, когда -решетка неустойчива, но скорость диффузии углерода приближается к нулю, то происходит мартенситное превращение. Превращение носит бездиффузионный характер.

Мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в -железе.

При 20С в равновесном состоянии содержание углерода в -железе 0,006%, а в мартенсите может быть таким, как в исходном аустените, то есть достигнуть 2,14%.

Атомы углерода занимают октаэдрические поры вдоль оси 001 в решетке -железа и сильно ее искажают. Мартенсит имеет тетрагональную решетку, причем, чем больше углерода, тем больше тетрагональность.

Сдвиговый механизм мартенситного превращения отличается закономерным корпоративным направленным смещением атомов в процессе перестройки решетки. Отдельные атомы смещаются относительно друг друга на расстояние, не превышающие межатомные, сохраняя взаимное соседство, однако, величина абсолютного смещения растет пропорционально удалению от межфазной границы. Это приводит к макроскопическому сдвигу, внешним проявлением которого является микрорельеф на поверхности металлического шлифа.

При переохлаждении до температур мартенситного превращения, аустенит начинает превращаться в мартенсит. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже М_н. Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение практически также остановится. Эта особенность мартенситного превращения резко отличает его от диффузионного перлитного, которое может полностью протекать при температурах ниже А₁ в изотермических условиях.

Итак, чем ниже температура, тем больше образовавшегося мартенсита, но не вследствии роста уже возникших кристаллов, имеющих некогерентную границу, а в результате образования все новых и новых кристаллов (их рост происходит только до момента нарушения когерентности исходной и новой фаз кристаллических решеток).

Температура окончания мартенситного превращения М_к.

Положение точек М_н и М_к не зависит от скорости охлаждения и обусловлено химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже М_н и М_к. Все легирующие элементы, за исключением кобальта и алюминия, понижают М_н и М_к.

Мартенситное превращение очень чувствительно к напряжениям, а деформация аустенита может вызвать превращение даже при температурах выше М_н (мартенсит деформации).

Кристаллы мартенсита в зависимости от состава стали, а, следовательно и от температуры образования могут иметь различную морфологию. Различают мартенсит пластинчатый и реечный.

Пластинчатый образуется в высокоуглеродистых сталях (кристаллы мартенсита в средней своей части состоят из микродвойников, называемых мидрибом). В плоскости шлифа пластины имеют вид игл.

Реечный – в конструкционных и легированных сталях (кристаллы мартенсита имеют форму тонких реек, обычно образуется пакет реек). Тонкая структура представляет дислокации высокой плотности при отсутствии микродвойников.

Размер кристаллов любой морфологии мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита.

Остаточный аустенит присутствует в закаленных сталях, имеющих точку М_к ниже 20С, а именно в углеродистых сталях, содержащих выше 0,4–0,5%С. Его количество тем больше, чем ниже М_н и М_к, то есть чем выше содержание в аустените углерода и легирующих элементов, кроме алюминия и кобальта.

В стали 60 количество остаточного аустенита не более 7%, а в стали с 1,3–1,5%С, оно достигает 30–50%. При большом количестве остаточного аустенита его можно наблюдать в микроструктуре закаленной стали в виде светлых полей между иглами мартенсита.

Аустенит, сохранившийся непревращенным становится более устойчивым, то есть имеет место стабилизация аустенита. При последующем понижении температуры превращение аустенита в мартенсит возобновляется не сразу, а происходит при более низких температурах и менее интенсивно. Явление стабилизации объясняют релаксацией напряжений, которые стимулируют мартенситное превращение.

Характерной особенностью мартенсита являются его высокая твердость (до 65 HRC) прочность. Твердость мартенсита возрастает с увеличением содержания углерода. Однако возрастает склонность к хрупкому разрушению.

6.1.4. Превращения при отпуске закаленной стали.

Исходной структурой закаленной стали является структура, состоящая из тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита. Распад этих фаз идет по диффузионному механизму, и поэтому скорость процесса в основном обусловлена температурой нагрева. Из указанных фаз в первую очередь начинает распадаться мартенсит.

Распад мартенсита (первое превращение при отпуске)

При температуре ниже 200С, в кристаллах мартенсита образуются карбиды. Скорость диффузии мала, поэтому образующиеся частицы карбидов не увеличиваются, и распад аустенита сопровождается зарождением новых частиц карбида, обычно на границах кристаллов мартенсита и в местах с повышенной плотностью дефектов.

Выделяющиеся карбидные частицы имеют форму тонких пластинок толщиной несколько атомных слоев и длиной несколько десятков нанометров. Пластинки -карбида когерентно связаны с решеткой -раствора. Вследствие того, что удельные объемы карбида и -раствора различны, между ними возникают сильные микроискажения кристаллических решеток обеих фаз.

При 200–350С диффузия углерода возрастает и кристаллы карбидов укрупняются. Образующийся карбид – гексагональный -карбид (Fe₂C). Образование -карбида вместо Fe₃C объясняется тем, что на границе -раствора и -карбида сопряжение решеток лучше, а следовательно энергетически выгодней.

Структуру, образующуюся в результате распада мартенсита при температурах ниже 350С называется отпущенным мартенситом (с/а  1, хотя с стремится к 1), являющимися гетерогенной смесью пересыщенного -раствора (неоднородной концентрации) и включениями кристалликов -карбида, когерентно связанных с решеткой мартенсита.

Превращение остаточного аустенита (второе превращение)

Захватывает интервал температур 200–300С. В этом интервале остаточный аустенит превращается в гетерогенную смесь, состоящую из -раствора (с/а  1) и карбида. Механизм распада близок к бейнитному (отсутствует диффузия железа, но имеет место диффузия углерода)

Снятие внутренних напряжений и карбидное превращение (третье превращение) при температуре 350–400С. При данной температуре происходит нарушение когерентности и обособление решеток феррита и цементита, связанное с одновременным протеканием карбидного превращения Fe₂C  Fe₃C.

Кроме того, изменяются размеры и форма карбидных частиц (она приближается к сфероидальной). Наряду с этим происходит снятие макро- и микронапряжений.

Образующуюся структуру после отпуска при температуре 400 называют троститом отпуска.

Коагуляция карбидов (t до 500С и выше) происходит вследствие диффузии атомов углерода, при этом происходит растворение мелких и рост более крупных частиц карбидов.

Грубую ферритно-цементитную смесь после отпуска стали при температуре 500650С называют сорбитом отпуска.

Частицы карбидов, в структуре тростита и сорбита отпуска в отличие от тростита и сорбита закалки имеют зернистое, а не пластинчатое строение. Образование зернистых структур улучшает многие свойства стали. При одинаковой твердости, _в, сталь с зернистой структурой имеет более высокие значения предела текучести, относительного сужения и ударной вязкости.

Влияние отпуска на механические свойства стали

200 – 250С	уменьшается склонность к хрупкому разрушению, возрастает прочность и вязкость (вследствие уменьшения макро- и микронапряжений и изменения структурного состояния)
300 – 400С	– повышение предела прочности и предела упругости
250 – 600С	снижается твердость, временное сопротивление, предел текучести, повышается относительное удлинение, сужение и трещиностойкость К1С*

^*Ударная вязкость сохраняется низкой вплоть до 400С, после чего начинается интенсивное повышение, максимальное значение ударной вязкости достигается после отпуска при температуре 600С.

После отпуска при 600–650С весь комплекс механических свойств выше, чем у отоженной стали.