2.4. Превращения в закаленной стали при нагреве

Мартенсит – неравновесная структура. Ввиду больших объемных изменений при быстром охлаждении возникают большие внутренние напряжения. Поэтому изделия после закалки подвергают отпуску. Процессы, протекающие в закаленной стали при нагреве, фиксирует такой прибор, как дилатометр, который показывает фазовые или структурные изменения за счет изменения объема (сравнение эталонного отожженного образца и закаленного).

Различают четыре основных превращения, происходящих при нагреве закаленной стали.

1 превращение происходит в интервале температур 80-200 ⁰С. При этих температурах в отдельных участках мартенсита выделяются тончайшие пластины карбида. В непосредственной близости от образовавшегося карбида твердый раствор обедняется углеродом, уменьшается тетрагональность мартенсита. Но при этих температурах ввиду малой скорости диффузии концентрация не успевает выравниваться. Поэтому в одном зерне могут существовать два твердых раствора с одинаковым типом решетки, но с разной концентрацией углерода.

Кристаллы образовавшегося карбида не растут. Процесс развивается за счет выделения новых частиц в тех участках мартенсита, который имеет исходную концентрацию углерода.

В результате первого превращения при нагреве получается так называемый отпущенный мартенсит – гетерогенная смесь пересыщенного углеродом α–раствора неоднородной концентрации и не обособленных частиц карбида.

При 2 превращении (200-300 ⁰С) остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит. При этих температурах уменьшаются напряжения, сжимающие зерна аустенита, происходит уменьшение тетрагональности мартенсита, обособление и рост частичек карбида. Внутренние напряжения уменьшаются.

3 превращение происходит при температурах 300-400 ⁰С. Скорость диффузии атомов железа заметно увеличивается, весь избыточный углерод выделяется из решетки феррита. Частицы карбида начинают расти. Образующаяся высокодисперсная смесь феррита и цементита называется трооститом отпуска.

4 превращение – при нагреве выше 400 ⁰С. При этой температуре происходит постепенный рост частичек карбида и их коагуляция. При 550-600 ⁰С размер частичек равен 0,1-0,2 мкм. Такая структура называется сорбитом отпуска. В нем, в отличие от сорбита закалки, цементит имеет округлую форму. При 650-700°С в структуре стали обра­зуется зернистый перлит - наиболее равновесная структура. Отпуск при этих температурах называется улучшением стали.

2.5. Влияние термической обработки на свойства стали

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

Отожженные, нормализованные или улучшенные стали имеют феррито-цементитную структуру. Твердость таких сталей достигается за счет твердости цементитных включений. При малом их количестве пластическая деформация развивается беспрепятственно, и свойства материала характеризуются невысокой твердостью. Если таких частиц будет больше, т.е., например, при термической обработке зерна карбида измельчаются, то вокруг этих частиц возникает искажение кристаллической решетки, что препятствует движению дислокаций, и сталь упрочняется. Наоборот, при укрупнении частиц освободятся некоторые объемы феррита для движения дислокаций, и способность стали к пластической деформации увеличится.

Высокая твердость мартенсита объясняется тем, что элементарные кристаллические ячейки его искажены, вследствие чего пластическая деформация затруднена и образование сдвигов в мартенсите почти невозможно. При 0,7%С твердость мартенсита достигает максимального значения и при дальнейшем увеличении содержания углерода почти не меняется. Дальнейшее повышение твердости может быть достигнуто за счет исходного мелкозернистого аустенита. В этом случае получается мелкоигольчатый мартенсит.

Изменение твердости при отпуске является следствием изменений в строении стали. При низком отпуске (нагрев до ~ 300 ⁰С) за счет появления новых карбидных зерен в виде пластин и их увеличения твердость стали почти не меняется, но увеличивается ее пластичность. Отпуск при 300 ⁰С приводит к повышению предела прочности и предела упругости за счет снятия внутренних напряжений. При повышении температуры отпуска показатели пластичности увеличиваются. Наибольшее показание пластичности соответствует отпуску при 600-650 ⁰С, когда весь комплекс механических свойств выше, чем у отожженной стали. Термообработка при этих температурах называется улучшением и является основным видом термообработки конструкционных сталей. Показатели ударной вязкости не меняются до температур отпуска 400 ⁰С, после чего начинается интенсивное повышение ударной вязкости с максимумом при 600 ⁰С.