10.9. Бейнитное превращение

Бейнитное превращение (названное так по имени ученого Э. Бейна) переохлажденного аустенита происходит в интервале температур ниже перлитного и выше мартенситного интервала превращений, поэтому его иногда называют промежуточным.

Определяющей особенностью бейнитного превращения является то обстоятельство, что оно протекает в интервале температур, когда практически отсутствует самодиффузия железа и диффузия легиру­ющих элементов, но интенсивно может протекать диффузия углерода. Вначале аустенит обедня­ется из-за выделения карбидов углерода и при достижении необ­ходимого обеднения происходит мартенситная реакция. Чем выше температура изотермической выдержки, тем больше должно про­изойти обеднение аустенита, тем менее углеродистый аустенит пре­терпевает мартенситное превращение, теряя типичные для него черты. Поэтому внешний вид структуры бейнита существенно зависит от температуры его образования.

Обычно бейнит делят на верхний (рис. 56, а) и нижний (рис. 56, б), образующийся соответственно в верхнем и нижнем интервале температур бейнитного превращения. Нижний бейнит по своей природе и свойствам мало отличается от изотермического (реечного) мартенсита.

Рис. 56.Микроструктура бейнита: а) верхнего; б) нижнего

10.10. Превращения при отпуске

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали, структура которой состоит из тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита, до температур ниже Ас₁, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Так как мартен­сит представляет собой перенасы­щенный твердый раствор углерода в Fe_α,, то структура закаленной стали является нестабильной, и при отпуске протекают процессы, приводящие к равновесному состоянию стали, что, очевидно, будет достигаться выделением углерода из мартенсита и остаточного аустенита.

Игольчатый характер строения мартенсита сохраняется до высо­ких температур и только при продолжительном отпуске при 650°С вместо игольчатой мартенситной структуры наблюдаются равновес­ные мелкие ферритные зерна. Дальнейшее повышение температуры приводит к процессам возврата (преимущественно уменьшению плот­ности дислокаций) в феррите и рекристаллизации ферритных зерен.

Сталь, отпущенная при 350—500 °С, имеет структуру троостита (рис. 57, а), а при 500—600 °С — структуру сорбита (рис. 57, б). Эти структуры представляющие собой смесь цементита и феррита, различаются по твердости и степени дисперсности цементитных ча­стиц.

Рис.57. Микроструктура: а) троостита; б) сорбита

10.11. Влияние термической обработки на свойства стали

В результате термической обработки существенно изменяются свойства стали. Наибольшее значение имеют механические свойства.

В отожженном, нормализованном или отпущенном (t_опт > 400 °С) состоянии сталь состоит из пластичного феррита и включе­ний карбидов (цементита). Феррит обладает низкой прочностью и высокой пла-

стичностью, цементит же при нулевом значении удлинения и сужения имеет высокую твердость (около 800 НВ). Более высокое значение прочности и меньшая пластичность сплавов с содержанием углерода выше 0,01 % объясняется упрочня­ющим действием карбидных включений. Поскольку пластической деформации (при том или ином виде нагружения) может подвер­гаться только феррит, упрочняющее действие твердых карбидных включений можно представить следующим образом.

При малом количестве цементитных включений пластическая деформация развивается относительно беспрепятствен­но, и свойства материала характеризуются невысокой твердостью.

Если таких частиц будет больше, например, если при термической обработке измельчаются частицы цементита, то вокруг этих частиц возникает искажение кристаллической решетки, что препятствует движению дислокаций, и сталь упрочняется. Наобо­рот, в результате укрупнения этих частиц освободятся некоторые объемы феррита для движения дислокаций, и способность стали к пластической деформации увеличится.

Таким образом, объясняется изменение твердости в отожженной (нормализованной) или отпущенной стали, имеющей структуру феррито-цементитной смеси разной дисперсности. Но объяснить так высокую твердость мартенсита нельзя. Высокая твердость мартен­сита объясняется тем, что элементарные кристаллические ячейки его искажены, вследствие чего пластическая деформация затруднена и образование сдвигов в мартенсите почти невозможно. Чем больше углерода в стали, тем больше искаженность тетрагональной решетки мартенсита и больше его твердость. Твердость мартенсита зависит в первую очередь от содержания в мартенсите (в стали) углерода.

Кроме твердости, большое значение имеет пластичность (вяз­кость) стали. Чем выше твердость, тем, как правило, ниже пластич­ность и вязкость. Однако и при одинаковой твердости показатели пластических и вязких свойств могут сильно колебаться в зависи­мости от структуры и размеров пластин мартенсита. Обычно с укруп­нением структуры пластические и вязкие свойства снижаются.

Для получения высокого комплекса механических свойств следует стремиться к тому, чтобы после закалки получалась мелкоигольчатая мартенситная структура, что достигается лишь при исходной мелкозернистой аустенитной структуре.

Отпуск — заключительная операция термической обработки, придающая стальному изделию окончательные свойства.

Общая тенденция состоит в том, что твердость с повышением температуры отпуска падает, так же как и другие показатели проч­ности (σ_в, σ_0,2), тогда как показатели пластичности (δ, ψ) возра­стают. Однако изменение этих свойств с повышением температуры отпуска не монотонно.

Отпуск при 300 °С приводит к повышению предела прочности и предела упругости. Эти характеристики вследствие напряженного состояния стали в закаленном состоянии или при отпуске при низ­кой температуре получаются пониженными.

Показатели пластичности (δ, ψ) увеличиваются с повышением температуры отпуска. Наибольшая пластичность (ψ) соответствует отпуску при 600—650 °С, когда весь комплекс механических свойств выше, чем у отожженной стали. Отпуск выше 650 ^оС уже не повы­шает пластичность (ψ).

Более высокие механические свойства закаленной и высокоотпущенной стали по сравнению с отожженной или нормализованной (при равной прочности у закаленной и высокоотпущенной σ_в, σ_0,2, а_н выше) объясняются различным строением сорбита (перлита) от­пуска и сорбита закалки, имеющих, как указывалось выше, в пер­вом случае зернистое, а во втором — пластинчатое строение. Двойная термическая обработка, состоящая в закалке с по­следующим высоким отпус­ком, существенно улучша­ющая общий комплекс меха­нических свойств, является основным видом термической обработки конструкционных сталей и называется улучше­нием (термическим улучше­нием).

Резюме

Цель любого процесса термической обработки состоит в нагреве до определенной температуры и последующим охлажде­нием для желаемого изменения строения и свойств металла.

Основные факторы воздействия при термической обработке — температура и время, поэтому режим любой термической обработки можно представить графиком в координатах t (температура) и τ (время).