9.4. Превращение аустенита в мартенсит

При очень высоких степенях переохлаждения аустенита резко снижается диффузионная подвижность атомов. (В частности, у эвтектоидной стали она близка к нулю при температуре 240С). При таких температурах -железо превращается в -железо, а весь растворенный в -железе углерод не успевает покинуть раствор и перенасыщает -железо. Перенасыщенный раствор углерода в -железе называют мартенситом.

Мартенсит - неравновесная фаза. В равновесии -железо растворяет максимум 0,006% углерода, а мартенсит может содержать углерода столько, сколько его было в исходном аустените. В результате этого решетка -железа теряет кубичность и становится тетрагональной. Из-за этого появляются избыточные внутренние напряжения, и мартенсит оказывается очень твёрдой и хрупкой фазой.

Мартенситное превращение наблюдается при скоростях охлаждения аустенита выше критической (v_кр). При таких скоростях охлаждения удаётся обойти зону перлитного превращения 3 и попасть в зону мартенситного превращения 5 (рис. 9.2.).

Мартенситное превращение начинается при температуре М_Н и заканчивается при температуре М_К. Его особенностью является то, что оно идёт только при непрерывном охлаждении. Остановка в охлаждении приводит к стабилизации аустенита, и последующее охлаждение уже не приводит к его распаду. Превращение имеет бездиффузионный, сдвиговый характер. Поэтому кристаллическая решетка мартенсита оказывается строго ориентированной по отношению к решетке исходной фазы - аустенита. Превращение идёт с большой скоростью (≈1000 м/с). Зёрна мартенсита растут до пересечения с границами зёрен аустенита, а последующие его пластины вырастают под углом 60 или 120 к первоначальным.

9.5. Превращения при отпуске закалённых сталей

Структура стали сразу после закалки является неравновесной. Она содержит мартенсит, имеют место избыточные внутренние напряжения и искажения кристаллической решётки. При отпуске структура таких сталей становится более равновесной.

Отпуск проводят при температурах ниже температур фазовых превращений. При нагреве закалённой стали до температуры порядка 200С избыточный углерод частично выходит из мартенсита и образуются необособленные карбиды. В результате тетрагональность его решётки уменьшается и получается мартенсит отпуска. Он менее твёрдый, но более пластичный. При температуре нагрева стали 400С избыточный углерод полностью покидает мартенсит и образует цементит. В результате формируется структура троостита отпуска. При нагреве стали до 600С происходит объединение карбидов и формируется структура сорбита отпуска. Сорбит и троостит отпуска отличаются зернистым строением. В отличие от пластинчатой формы такая структура обеспечивает сталям более высокую вязкость и пластичность.

10. Технология термической обработки стали

10.1. Отжиг и нормализация стали

Отжиг состоит в нагреве стали до определённых температур с последующей выдержкой и медленным её охлаждением в печи. В результате отжига сталь приобретает равновесную структуру, свободную от остаточных напряжений.

Различают отжиг первого и второго рода. Отжиг первого рода не связан с фазовыми превращениями в сталях. В зависимости от назначения отжиг первого рода может быть либо диффузионным, либо рекристаллизационным, либо отжигом для снятия внутренних напряжений.

Диффузионный отжиг применяют для устранения неоднородности слитков стали по химическому составу. С этой целью образец нагревают до температур порядка 1000°С и выдерживают при данной температуре до тех пор, пока диффузионные процессы в образце не приведут к выравниваю химического состава слитка (т.е. к устранению ликвации).

Рекристаллизационный отжиг производят с целью устранения наклёпа в деформированных сталях. Как известно, в ходе холодной пластической деформации сталей развивается наклёп. Зёрна материала вытягиваются в направлении деформации, твёрдость и прочность стали возрастает, а её пластичность снижается. При нагреве деформированных сталей до температур рекристаллизации наблюдается процесс образования новых округлых зёрен взамен старых вытянутых зёрен. В ходе рекристаллизации твёрдость и прочность сталей уменьшается, а пластичность возрастает, приобретая значения, близкие к тем, которые были до деформации. Температуры, при которых наблюдается рекристаллизация сталей, превышают 400°С.

Отжиг для снятия внутренних напряжений применяется с целью устранения в сталях механических напряжений, возникших в результате обработки давлением, резанием, плавлением и так далее. Нагрев в данном случае осуществляется до относительно невысоких температур, не превышающих температур фазовых превращений. По термический режиму данный отжиг похож на отпуск, но имеет иное назначение.

Отжиг второго рода, напротив связан с фазовыми превращениями в стали, поэтому его называют фазовой перекристаллизацией. Он может быть полным и неполным. Полный отжиг заключается в нагреве стали до температур на 30-50°С выше линии GSE, неполный заключается в нагреве стали до температур на 30-50°С выше линии PSK. После медленного охлаждения с печью сталь при полном отжиге превращается в мелкозернистую смесь Ф+Ц. Полному отжигу обычно подвергается доэвтектоидные стали для измельчения зерна и улучшения пластических свойств металла. Полный отжиг доэвтектоидной стали приводит к улучшению их обрабатываемости, и поэтому является подготовительной операцией. Неполному отжигу подвергают инструментальные заэвтектоидные стали. В ходе такого отжига исчезает сетка вторичного цементита (Ц_II ), цементит приобретает округлую зернистую форму, что благоприятно отражается на механических свойствах сталей, а именно, повышается удельная вязкость. Такую операцию называют сфероидизирующим отжигом. Если после нагрева и выдержки охлаждение производится не вместе с печью, такую операцию называют нормализацией. В результате, в стали исчезают внутренние напряжения. Нормализация более дешёвая операция, чем отжиг, в то же время между отжигом и нормализацией, для доэвтектоидной стали, практически нет различий. Различия в структуре и свойствах и свойствах начинают проявляться только с увеличением содержания углерода, поэтому для низкоуглеродистых сталей вместо отжига проводить лучше нормализацию.

Нормализация обычно первичная операция, основное назначение – устранить последствия предыдущих технических операций и подготовить сталь к резанию, обработке давлением, а также к окончательным операциям термообработки (закалке, отжигу).