Структурные превращения при термической обработке

Сталь 55ХГР — доэвтектоидная сталь. Критические точки стали: А_С1=750±10°С; А_С3=790±10°С. Сталь подвергают полной закалке, при этом её нагревают до образования однородной мелкозернистой аустенитной структуры.

Последующее охлаждение в масле со скоростью большей, чем Vкр (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита.

Рассмотрим превращения, происходящие в стали 55ХГР при нагреве исходной равновесной структуры Ф+Ц. На практике, при обычных скоростях нагрева под закалку перлит сохраняет своё пластинчатое или зернистое строение до температуры А_С1 (750°С для стали 55ХГР). При температуре А_С1 в стали происходит превращение перлита в аустенит. Зерна аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются 2 процесса:

1. полиморфный переход Fe_α-›Fe_γ

2. растворение цементита в аустените

Схема превращения:

П(Ф+Ц)|_АС1-›Ф+Ц+А-›А+Ц-›А_{неоднородный}-›А_{гомогенный}

Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита перлита, поэтому необходима выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получения гомогенного аустенита.

Фазовая перекристаллизация приводит к измельчению зерна в стали. При этом, чем дисперснее структура перлита (Ф+Ц) и чем выше скорость нагрева стали, тем больше центров зарождения аустенита, и, следовательно, возрастает дисперсность продуктов его распада. Увеличение же дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений.

Далее следует закалка в масле. При непрерывном охлаждении в стали с Vохл>Vкр аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью. При этом необходимо учитывать, что с увеличением % С точки Мн и Мк понижаются. В результате закалки стали 55ХГР структура может иметь кроме мартенсита и некоторое количество остаточного аустенита. Полученный мартенсит представляет собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Атомы углерода занимают в основном октаидрические поры.

Образование в результате закалки мартенсита приводит к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако при этом возрастает склонность к хрупкому разрушению, что требует проведения дополнительного последующего отпуска.

Превращения в закаленной стали при среднем отпуске (450°с)

Нагрев закаленной стали до температуры А_С1 принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить получение в стали необходимых эксплуатационных свойств. Структура стали 55ХГР после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

При отпуске происходят несколько процессов. Основной — распад мартенсита, состоящий в выделении углерода в виде карбидов. Фазовые превращения при отпуске принято разделять на 3 превращения в зависимости от изменения удельного объема стали:

1. происходит при температурах 80-200°С: из мартенсита выделяется часть углерода в виде нестабильного ε-карбида, имеющего гексагональную решетку и химический состав близкий к Fe₂C. Дисперсные кристаллы ε-карбида когерентны с решеткой мартенсита. Объединение твердого раствора углеродом происходит неравномерно: наряду с участками мартенсита, обедненного углеродом, сохраняются участки с исходным содержанием углерода. Первое превращение идет с очень малой скоростью и без нагрева. Уменьшение количества растворенного углерода снижает тетрагональность мартенсита – длина образца уменьшается.

2. 200-260°С: одновременно происходит несколько процессов: продолжается распад мартенсита, распадается остаточный аустенит и начинается карбидное превращение. Распад мартенсита распространяется на весь объем, концентрационная неоднородность твердого раствора исчезает; в мартенсите остается около 0,2% растворенного углерода. Распад остаточного аустенита происходит по механизму бейнитной реакции: образуется смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов. При температурах около 250°С начинается превращение ε-карбида в цементит; при этом когерентность решеток твердого раствора и карбида нарушается. Длина закаленного образца возрастает.

3. 260-380°С: завершаются распад мартенсита и карбидное превращение. Из мартенсита выделяется весь пересыщающий углерод в виде карбидов, тетрагональность решетки α-твердого раствора устраняется – мартенсит переходит в феррит. После отпуска при 380-400°С в структуре стали обнаруживается только карбид цементитного типа. Длина образца уменьшается.

Структуру стали после низкого отпуска (до 250°С) называют мартенситом отпуска. После среднего отпуска (350…500°С) – трооститом отпуска. После высокого отпуска (500…6000°С) – сорбитом отпуска.

В стали 55ХГР после полной закалки и среднего отпуска при 450°С образуется структура троостита. При более высоких нагревах в углеродистых сталях происходит изменение структуры, не связанное с фазовыми превращениями. Изменяются форма, размер карбидов и структура феррита.