7.4 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. 7.2.).

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.

7.5 Превращения при отпуске закалённых сталей

Структура стали после закалки является неравновесной. Она содержит метастабильную фазу – мартенсит, для которого характерна искажённая кристаллическая решётка и избыточные внутренние напряжения. При отпуске, предполагающем нагрев закалённых сталей, структура становится более равновесной.

Отпуск проводят при температурах ниже температур фазовых превращений. При нагреве закалённых сталей до температур порядка 200С избыточный углерод частично выходит из мартенсита и образуются необособленные карбиды. В результате тетрагональность решётки мартенсита уменьшается и получается мартенсит отпуска. Он отличается меньшей твёрдостью и большей пластичностью. При температуре нагрева стали порядка 400С избыточный углерод полностью покидает мартенсит и образует цементит. В результате формируется структура троостита отпуска (т.е. мелкозернистая смесь феррита с цементитом). При нагреве закалённых сталей до температур порядка 600С наблюдается укрупнение (путём объединения) зёрен образующего цементита, в результате формируется структура сорбита отпуска. Сорбит и троостит отпуска отличаются от обычного пластинчатого сорбита и троостита зернистым строением. Такая структура обеспечивает сталям более высокую вязкость и пластичность.

7.6 Отжиг и нормализация сталей

Отжиг состоит в нагреве сталей до определённых температур с последующей выдержкой и медленным охлаждением их 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 термическому режиму данный отжиг похож на отпуск, но имеет иное назначение.

Отжиг второго рода, напротив связан с фазовыми превращениями в сталях, поэтому его называют также фазовой перекристаллизацией. Он может быть полным и неполным. Полный отжиг заключается в нагреве стали до температур на 30-50°С выше линии GSE диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 7.3). Неполный – заключается в нагреве стали до температур на 30-50°С выше линии PSK. После медленного охлаждения с печью сталь при полном отжиге приобретает структуру мелкозернистой смеси феррита с цементитом. Полному отжигу обычно подвергают доэвтектоидные стали с целью измельчения зерен материала и улучшения его пластических свойств. Полный отжиг приводит к улучшению обрабатываемости доэвтектоидных сталей резанием, поэтому относится к подготовительным операциям. Неполному отжигу обычно подвергают инструментальные заэвтектоидные стали. В ходе такого отжига исчезает сетка вторичного цементита, который приобретает округлую зернистую форму. Это благоприятно отражается на механических свойствах сталей, в частности, повышается их ударная вязкость. Такую термическую операцию называют сфероидизирующим отжигом.

Если после нагрева и выдержки сталей охлаждение производится не вместе с печью, а на воздухе, то такую операцию называют нормализацией. В ходе нормализации исчезают внутренние напряжения, а структура сталей становиться более мелкозернистой, т.е. «нормальной». Нормализация более дешёвая операция, чем отжиг. В то же время для низкоуглеродистых сталей нет различий в свойствах между отожжённым и нормализованным состояниями. Различия в структуре и свойствах начинают проявляться только с увеличением содержания углерода. Поэтому низкоуглеродистые стали лучше подвергать нормализации, вместо отжига.

Рис. 7.3. Температуры нагрева при отжиге и закалке сталей.

Нормализация и отжиг обычно первичные операции. Их основное назначение – устранить последствия предыдущих технологических операций (ковки, литья) и подготовить сталь к обработке резанием, давлением, а также к окончательным операциям термообработки (закалке и отпуску).