2.5. Превращения при отпуске стали
Сущность превращения мартенсита углеродистой стали при нагреве (отпуске) может быть выражена схемой
М
Ф + Ц.
Для понимания механических свойств отпущенной стали целесообразно выделить три основные стадии отпуска.
Первая стадия отпуска – зарождение карбидов.
При температурах отпуска ниже 250 °С происходит перераспределение углерода в мартенсите – образуются участки, на которых концентрация атомов углерода существенно выше среднего количества их в решетке мартенсита. В этих участках образуются зародыши карбидной фазы, которые имеют вид пластинок толщиной несколько атомных слоев. При этом кристаллическая решетка карбида когерентно связана с решеткой мартенсита, т.е. поверхности раздела между решетками мартенсита и карбида пока отсутствуют.
Таким образом, на первой стадии отпуска содержание углерода в разных участках мартенситных кристаллов оказывается крайне неоднородным. Такой мартенсит называется мартенситом отпуска.
Вторая стадия отпуска – обособление карбидов.
Повышение температуры ведет к дальнейшей диффузии углерода из мартенсита отпуска к образовавшимся зародышам карбидов и к росту последних. После достижения критических размеров зародышей напряжения в участках межфазных границ приводят к нарушению когерентных связей в решетках и карбиды обособляются в самостоятельные кристаллы. Это имеет место при температурах выше 300 °С. В этом сущность второй стадии отпуска.
В высокоуглеродистых сталях, в структуре которых после закалки имеется остаточный аустенит, в интервале температур 200…300 °С осуществляется также процесс его превращения в мартенсит отпуска.
Третья стадия отпуска – коагуляция карбидов.
Этот процесс начинается при температуре выше 400 °С. При этом коагуляция одних карбидных частиц происходит за счет растворения других частиц, более мелких.
Приводимые стадии отражают преимущественно протекающие процессы. Естественно, что на последующих стадиях могут происходить и процессы, характерные для более ранних стадий. Образование полностью равновесного феррита и цементита и прекращение существования мартенсита имеет место при 400…450 °С. При этих температурах устраняется и большая часть внутренних напряжений, свойственных закаленной стали.
При температурах отпуска 350…400 С диаметры частиц карбида имеют размеры, примерно равные 0,3 · 10-3 мм. Такая структура называется трооститом отпуска.
При 500…600 С частицы цементита в феррите имеют размеры, равные примерно 0,1 · 10-3 мм. Подобная структура называется сорбитом отпуска. Основным отличием структур типа троостита и сорбита отпуска и троостита и сорбита закалки является сфероидальная форма частиц цементита в структурах отпущенной стали, в то время как в структурах закаленной стали после распада аустенита форма частиц пластинчатая.
3. Практика термообработки сталей
При изготовлении деталей для изменения структуры и свойств стали применяют различные операции термообработки. К ним относят отжиг, закалку и отпуск.