14.10. Превращения, происходящие при нагреве закаленных сталей

Отпуск – это термическая обработка закаленного на мартенсит сплава (или металла), при которой главными процессами являются распад мартенсита.

При нагреве после закалки вследствие увеличивающейся подвижности атомов создаются условия для процессов, изменяющих структуру стали в направлении к более равновесному состоянию. Характер этих процессов определяется тремя важнейшими особенностями строения закаленной стали: сильной пересыщенностью твердого раствора – мартенсита, повышенной плотностью в нем дефектов кристаллической решетки – дислокаций, малоугловых и высокоугловых границ, двойниковых прослоек и присутствием во многих сталях значительных количеств остаточного аустенита.

Распад мартенсита с выделением карбидов – главный процесс при отпуске сталей. Распад мартенсита в зависимости от температуры и продолжительности отпуска проходит через стадии предвыделения, выделения промежуточных метастабильных карбидов, выделения цементита и коагуляции.

В свежезакаленном мартенсите перераспределение углерода заметно уже при 40 °С. Вначале на каждый кластер приходится лишь несколько атомов углерода. Кластеры постепенно укрупняются, а содержание углерода в них становится соответствующим составу, который можно описать формулой Fe₄C. Этот процесс контролируется диффузией углерода.

Выделение промежуточных карбидов из мартенсита – следующая после сегрегации углерода стадия структурных изменений при отпуске. Начиная примерно с температуры 100 °С экспериментально обнаруживается метастабильный e-карбид, отличающийся от цементита типом решётки (гексагональная у ε-карбида, ромбическая у цементита).

При низких температурах ε-карбид выделяется в виде очень дисперсных пластин или стержней. С повышением температуры или увеличением продолжительности отпуска частицы ε-карбида укрупняются.

Образование цементита Fе3С со структурой, одинаковой или близкой к структуре цементита отожженной стали, происходит при температурах выше 250 °С, причем наиболее активно в интервале 300–400 °С.

Цементит Fе₃С – более стабильная фаза, обладающая меньшей объемной («химической») свободной энергией, чем промежуточный карбид. Кроме того, при повышении температуры отпуска снижение концентрации углерода в распадающемся α-растворе так изменяет межплоскостные расстояния, что решетка α-фазы лучше сопрягается уже не с решеткой ε-карбида, а с решеткой цементита. Таким образом, при более высоких температурах отпуска выигрыш в объемной и поверхностной свободной энергии делает предпочтительными зарождение и рост цементита, а не промежуточного карбида.

Коагуляция и сфероидизация цементита − завершающая стадия процессов карбидообразования при отпуске. Размер цементитных пластин различен. Концентрация углерода в α-растворе около относительно мелких частиц выше, чем около более крупных. Эта разность концентраций обеспечивает диффузию углерода в α-растворе от более мелких цементитных частиц к более крупным. В результате выравнивающей диффузии α-раствор становится ненасыщенным около мелких частиц и пересыщенным около крупных. Более мелкие цементитные частицы растворяются, а более крупные подрастают. По-настоящему интенсивные коагуляция и сфероидизация начинаются с 35–400 °С. Выше 600 °С все частицы цементита сферические и идет только их коагуляция. При изотермической выдержке коагуляция цементита интенсивно развивается в течение короткого времени (первого часа) и затем затухает. Средний размер цементитных частиц растет с повышением температуры отпуска.

Распад остаточного аустенита играет существенную роль в процессах отпуска высокоуглеродистых сталей, где он находится в значительном количестве. Распад аустенита активно протекает в интервале температур примерно 200–300 °С. Остаточный аустенит при отпуске превращается в нижний бейнит.

Уменьшение концентрации углерода в α-растворе идет во всем температурном интервале выделения из него карбидной фазы.

Традиционно принято выделять три температурных интервала и соответствующие им три «превращения» при отпуске углеродистых сталей.

Первое «превращение» при отпуске относят к интервалу температур 100–200 °С. При этих температурах закаленный образец укорачивается. Так как из всех структурных составляющих стали наибольший удельный объем у мартенсита, то первое «превращение» связывают с его распадом.

Второе «превращение» при отпуске относят к интервалу температур 200–300 °С. При выдержке в этом интервале длина закаленных образцов средне- и высокоуглеродистых сталей увеличивается и тем больше, чем выше содержание углерода в стали. Так как удельный объем аустенита наименьший и количество остаточного аустенита растет с увеличением содержания углерода в стали, то второе «превращение» связывают с его распадом.

При этом, конечно, следует иметь в виду, что в температурном интервале второго «превращения» продолжается распад мартенсита.

Третье «превращение» при отпуске относят к интервалу температур 300–600 °С. В этом температурном интервале длина образцов сокращается.

Одно из объяснений − окончание выделения Fe3С из мартенсита.

Структуру, получающуюся после отпуска стали при температурах ниже 300 °С, называют отпущенным мартенситом. После отпуска при температурах 300–450 °С обнаруживается особенно сильно травящаяся игольчатая структура, которую называют трооститом отпуска. В интервале температур 450–650 °С получается сорбит отпуска.