Вуглецю в сталі

Мартенситне перетворення не йде до кінця, тому в загартованих сталях, що мають точку Мк нижче 20 °С, а саме в вуглецевих з масовою часткою вуглецю більше 0,4...0,5%, присутній залишковий аустеніт. Його кількість тим більша, чим вища масова частка вуглецю в аустеніті і легуючих елементів (за винятком Co і Аl , тобто, чим нижча температура точок Мп і Мк (рис. 4.3). Заштрихована смуга враховує можливість різних умов охолодження в інтервалі Мп - Мк .У сталі, що містить 0,6...1,0% С, кількість залишкового аустеніту не перевищує 10%, а в сталі, з вмістом вуглецю 1,3...1,5%, вона досягає 30...50%. У деяких сталях з високою масовою часткою вуглецю і легуючих елементів, наприклад, у сталі з 1,3% С і 12% Cr, кількість залишкового аустеніту після гартування від високих температур може досягати 80...100%, що пояснюється зниженням температури, відповідної точці Мп, в область низьких температур. При великих кількостях залишкового аустеніту (20...30%) його можна спостерігати в мікроструктурі загартованої сталі у вигляді світлих полів між голками мартенситу.

Рисунок 4.3 - Залежність кількості залишкового аустеніту від масової частки вуглецю в сталі

Якщо на деякий час затримати охолодження при температурі, що лежить нижче температури Мп, наприклад 20°С, аустеніт, що залишився не перетвореним при охолоджені до цієї температури, стає більш стійким, тобто стабілізується. Стабілізація аустеніту виражається в тому, що при подальшому зниженні температури перетворення аустеніту в мартенсит поновлюється не одразу, а відбувається при більш низькій температурі і менш інтенсивно. Кількість утвореного в результаті мартенситу виявляється меншою, ніж при безпосередньому охолоджені. Це явище стабілізації проявляється більш сильно в інтервалі температур, відповідних точкам Мп – Мк і залежить від температури, при якій затримувалося охолодження. Температура, нижче якої проявляється ефект стабілізації, позначається Мс. Явище стабілізації іноді пояснюють релаксацією напруг, які стимулюють мартенситне перетворення.

Характерна особливість мартенситу - висока твердість і міцність. Твердість мартенситу зростає із збільшенням у ньому масової частки вуглецю (рис. 4.4). В сталі з масовою часткою 0,6...0,7% С твердість мартенситу становить 65 HRC, що в багато разів більше твердого фериту. Однак, з підвищенням в мартенситі вмісту вуглецю зростає схильність до крихкого руйнування. Мартенсит з масовою часткою вуглецю вище 0,35...0,4% володіє зниженим опором зародженню тріщин і особливо низьким опором розвитку тріщини і руйнується крихко.

Рисунок 4.4 - Твердість сталі в залежності від масової частки вуглецю і температури гартування: 1- нагрівання вище т. Ас₃ ; 2 - нагрівання вище т. Ас₁ але нижче т. Ас₃ (770 °С); 3 - мікротвердість мартенситу

Висока твердість мартенситу пояснюється впливом впроваджених атомів вуглецю в решітку α-фази, створенням мікро - і субмікроскопічної неоднорідності будови з рівномірним її розподілом за об'ємом, тобто з великою кількістю порушень кристалічної будови. Кожний кристал мартенситу складається з великої кількості блоків, розмір яких значно менший, ніж у вихідному аустеніті. Дроблення блоків відбувається внаслідок великих мікронапруг, що виникають в результаті об'ємних змін при γ→α перетвореннях і відповідно пластичної деформації, що створює фазовий наклеп. Поверхні розділу кристалів мартенситу і особливості границі блоків уявляють собою важкопереборні перешкоди для руху дислокацій. Це й визначає високу твердість сталі з мартенситною структурою. Крихкість мартенситу пов'язана з утворенням атмосфер з атомів вуглецю на дефектах будови.

Присутність вуглецю та інших домішок у твердому розчині підвищує електроопір і коерцитивну силу мартенситу, знижує залишкову магнітну індукцію і магнітну проникність порівняно з феритом.

Мартенсит, порівняно з іншими структурними складовими сталі, і особливо з аустенітом, має найбільший питомий об'єм. Збільшення питомого об’єму при утворенні мартенситу - одна з основних причин виникнення при гартуванні великих внутрішніх напруг, які викликають деформацію виробів або навіть появу тріщин.

Збільшення об'єму сталі після гартування в порівнянні з вихідним станом залежить від масової частки вуглецю в мартенситі (табл. 4.2).

Таблиця 4.2 - Зміна об'єму сталі після гартування

Масова частка вуглецю, %	0,4	0,6	0,7	0,8	1,2
Збільшення об’єму, %	0,4	0,46	0,85	1,13	0,9

* Зменшення об'єму в даному випадку пов’язано з збільшенням у структурі загартованої сталі кількості залишкового аустеніту, що має менший питомий об'єм.

Найбільше збільшення об'єму спостерігається у евтектоїдної сталі, тому вона найбільш чутлива до гартувальних тріщин і деформацій.