21. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении

Распад аустенита при температуре, близ­кой к Аr1, происходит лишь в условиях равновесия, то есть при бесконечно малой скорости охлаждения. При реальных скоростях охлаждения аустенит переох­лаждается ниже Аr1 и распад его протекает в интерва­ле температур.

Распад аустенита состоит из следующих этапов:

превращение у-железа в а-железо, то есть перегруппировка атомов из решетки гранецентрированного ку­ба в решетку объемно-центрированного куба с одновре­менным смещением атомов углерода;

выделение из твердого раствора (из аустенита) мель­чайших частиц цементита;

укрупнение частиц цементита в пластинки, размеры которых достигают нескольких микрон.

С увеличением скорости охлаждения возрастает сте­пень переохлаждения аустенита и снижается интервал температур, в котором происходит распад аустенита.

Чем больше скорость охлаждения и ниже темпера­тура распада аустенита, тем дисперспее образующаяся ферритоцементитная смесь. При небольшой скорости ох­лаждения V1 образуется перлит, при большей V2 — сорбит, а при еще большей v₃ — троостит.

При высоких скоростях охлаждения V₄ весь аустенит не успевает распадаться при высоких температурах с образованием ферритацементитной смеси и часть его переохлаждается до точки Мн, превращаясь в мартен­сит. Структура в этом случае состоит из троостита и мартенсита. Минимальная скорость охлаждения v_K, при которой весь аустенит переохлаждается до точки Мн и превращается в мартенсит, получила название критической скорости закалки.

При очень большой скорости охлаждения v₅ диффу­зионный распад аустенита с образованием ферритоцементитной смеси становится невозможным, вследст­вие чего весь аустенит переохлаждается до точки Мн и превращается в мартенсит.

Превращение аустенита в мартенсит ие идет до кон­ца, поэтому в закаленной стали вместе с мартенситом всегда присутствует некоторое количество остаточного аустенита.

22.Превращение мартенсита и остаточного аустенита при нагреве

Изучение микроструктуры, атомно-кристал-лического строения, физических и механических свойств в отпущенном состоянии и изменение этих свойств в процессе отпуска позволили с необходимой достовер­ностью установить последовательность превращения при нагреве закаленной стали.

Исходной после закалки является неравновесная структура, состоящая из мартенсита и остаточного аустенита. Переход стали в более устойчивое состояние должен сопровождаться распадом мартенсита и оста­точного аустенита с образованием ферритоцементитной смеси.

Исследования показали, что, начиная от 80°С и вплоть до 200 °С, наблюдается сокращение объема об­разца из-за уменьшения параметра с решетки мартен­сита (.рис. 2.26). Отношение параметров решетки с: а стремится к единице. Это превращение называют пер­вым превращением при отпуске.

Получающийся при таком низком отпуске мартен­сит, у которого отношение с: а близко к единице, называют от­пущенным мартенситом. Следо­вательно, первое, превращение есть превращение тетрагонально­го мартенсита в отпущенный, по­чти кубический с образованием необособившихся частиц мета-стабильного карбида.

Тетрагональность мартенсита обусловлена растворением угле­рода, поэтому уменьшение тетра-гональности можно объяснить выделением углерода из раство­ра (с ребер решетки).

Дальнейший нагрев выше 200 °С ведет к так называемому второму превращению при отпуске, который охватывает интервал температур 200. ..300°С. В этом интервале остаточный аустенит превращается в отпущенный мар­тенсит. Это превращение диффузионное и по своей при­роде похоже на превращение первичного аустенита в промежуточном интервале температур.

К концу второго превращения наступает полное вы­деление углерода из раствора, снятие внутренних напря­жений. Одновременно с этим метастабильный .карбид обособляется и превращается в цементит. Сумму этих изменений называют третьим превращением при отпуске.

При 400 °С третье превращение заканчивается и структура стали состоит из феррита и цементита. При дальнейшем повышении температуры наблюдают про­цесс коагуляции зерен феррита и цементита.

Есть существенное различие между строением ферритоцементитной смеси, полученной после распада мар­тенсита при отпуске, и строением аустенита при распа­де аустенита. Например, цементит троостита закалки имеет ярко выраженную игольчатую форму, а троостита отпуска — зернистую. Различная форма цементита оп­ределяет различие свойств сталей.

23—29

Отпуск

Закаленные детали подвергают отпуску. Отпуск состоит из нагрева закаленной стали до темпе­ратуры ниже Ас1 выдержки при заданной температуре и последующего охлаждения с заданной скоростью. От­пуск—окончательная операция термической обработки, в результате которой сталь прио;бретает требуемые ме­ханические свойства и структуру. Отпуск позволяет уменьшить твердость и хрупкость стали, повысить вяз­кость, уменьшить и снять напряжение.

В результате отпуска в зависимости от температу­ры .нагрева неустойчивая структура мартенсита закалки превращается в более устойчивые структуры (мартен­сит отпуска, троостит, сорбит и даже перлит). Различа­ют низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск получают при нагреве до 150. ..250 °С. При этих температурах в структуре стали сохраняетсямартенсит, но с несколько измененной кристалличес­кой решеткой, в результате чего уменьшаются твер­дость и внутренние напряжения. Такая структура но­сит название мартенсита отпуска. Низкому отпуску под­вергают режущий инструмент и детали, работающие на истирание.

Средний отпуск получают при нагреве до 350... 500 °С. Структура стали, отпущенная при этих темпера­турах, состоит в основном из троостита отпуска, то есть представляет собой мелкодисперсную смесь фер­рита и цементита. При этом снижаются твердость и прочность, повышаются пластичность и упругость ста­ли. Чаще всего этот вид отпуска применяют при тер­мической обработке пружин и рессор.

Высокий отпуск осуществляют нагревом закаленных изделий до 500. ..650 °С. Такой нагрев стали при от­пуске сопровождается образованием сор'бита отпуска (ферритоцементитная смесь средней дисперсности и зернистого строения).

При высоком отпуске практически полностью снима­ются внутренние напряжения в стали. Сорбитная струк­тура дает наилучшее сочетание прочности и пластич­ности для конструкционных сталей. Высокому отпуску подвергают большинство ответственных деталей машин и конструкций.