Превращения при нагреве закаленной стали

В данном случае исходной структурой является структура за­каленной стали, состоящая из тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита. Мартенсит и остаточный аустенит явля­ются неустойчивыми (неравновесными) структурными состав­ляющими. Переход закаленной стали в устойчивое состояние сопровождается превращениями мартенсита и остаточного ау­стенита. Эти превращения имеют диффузионный характер и скорость их протекания в основном определяется температурой нагрева.

При нагреве закаленной стали можно ожидать уменьшения тетрагональности мартенсита выделением избыточного угле­рода из твердого раствора и снятия остаточных внутренних на­пряжений в кристаллической решетке, что должно привести к уменьшению объема кристаллов мартенсита. Кроме этого, будет происходить превращение остаточного аустенита и уве­личение содержания FезС за счет углерода, выделившегося из тетрагонального мартенсита.

Рис. 9.1. График термической обработки стали (а) и изменения температуры во вре­мени при различных видах термической обработки (б);

/—нагрев; //—выдержка; ///—охлаждение

Рассмотрим превращения в закаленной на мартенсит эвтектоидной стали-при медленном нагреве. Температура нагрева не превышает критической точки Ас₁.

При нагреве примерно до 100 °С никаких превращений в закаленной стали не обнаруживается. Дальнейшее медлен­ное повышение температуры до 100...180 °С' позволяет обна­ружить при помощи дилатометра сокращение длины исследуе­мого образца. Это может быть следствием уменьшения искажения кристаллической решетки мартенсита. Действительно, рентгеновский анализ подтверждает, что в этом интервале тем­ператур происходит значительное уменьшение параметра с решетки мартенсита, т. е. отношение с/а стремится к единице.

В ряде случаев в процессе отпуска карбиды железа выделя­ются внутри кристаллов мартенсита в виде тонких (толщиной в несколько атомных слоев) пластин. Эти карбиды с гексагональной решеткой когерентно связаны с решеткой мартенсита. Вследствие того, что удельный объем карбида железа и мар­тенсита разный, между ними возникают напряжения II рода, вызывающие упругое искажение кристаллических решеток обеих фаз. При дальнейшем повышении температуры происходит обособление их решеток, что сопровождается уменьше­нием искажений кристаллической решетки мартенсита.

Таким образом, в результате нагрева закаленной стали до 180 °С происходит первое превращение при отпуске – начало распада мартенсита с выделением углерода в виде дисперсных частиц (карбида железа), уменьшение тетрагональности решётки мартенсита и её искажений снятием напряжений, уменьшение объёма кристаллов мартенсита.

Следует отметить, что указанные превращения в закаленной стали происходят и при температурах ниже 100°С, в том числе и при комнатной температуре. При этих температурах проте­кает процесс старения закаленной стали — выделение карби­дов железа и другие процессы, сопутствующие ему. Однако процесс старения протекает весьма медленно. Процесс старения оказывает влияние и на свойства закаленной стали.

В результате протекания первого превращения при отпуске получаем отпущенный мартенсит или мартенсит отпуска, внутри которого распределены мелкодисперсные частицы цемен­тита; структура отпущенного мартенсита сохраняет игольчатое строение.

При дальнейшем нагреве закаленной стали с 200 до 300 °С, протекает второе превращение при отпуске, внешним призна­ком которого является увеличение длины образца. В этом ин­тервале температур происходит превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит, т. е. второе превращение при отпуске сопровождается почти полным распадом остаточ­ного аустенита, одновременно с этим продолжается выделение углерода из тетрагонального мартенсита с некоторым сниже­нием напряжений в нем. К концу второго превращения при от­пуске содержание углерода в мартенсите составляет 0,15..., 0,20 %. При этом становится заметным рост карбидных частиц, ранее выделившихся из мартенсита.

При повышении температуры нагрева с 300 до 400 °С на­ступает третье превращение при отпуске. В этом интервале температур наблюдается сжатие образца (уменьшение его длины), что указывает на полное выделение избыточного углерода из мартенсита и снятие внутренних напряжений. Одно­временно с этим начинаются превращения промежуточных кар­бидов железа в цементит.

При дальнейшем повышении температуры (выше 400 °С) наступает четвертое превращение при отпуске, которое харак­теризуется полным снятием внутренних напряжений и коагуля­цией карбидных частиц в зернистом цементите. При температуре выше 400 °С отпущенная сталь состоит из феррита и зернистрго цементита. Различная степень дисперсности цементита предопределяет и структуру отпущенной стали. Сталь, отпущенная при 350…500°С, имеет структуру троостита, при 500... 600 °С — сорбита отпуска. Причем в первом случае частицы цементита более мелкие, чем во втором. Это оказывает влияние на свойства стали. Так, закаленная эвтектоидная сталь с твердостью НВ 650 после отпуска при 450 °С имеет струк­туру троостита с твердостью НВ 400, а после отпуска при 550 °С — структуру сорбита с твердостью НВ 300.

При температуре отпуска выше 600 °С сорбит отпуска пре­вращается в перлит с зернистым цементитом (иногда назы­вают зернистый перлит) с твердостью НВ 250. Уменьшение твердости стали сопровождается соответствующим изменением и других механических свойств.

В зависимости от температуры нагрева различают: низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск—нагрев закаленной стали до 180...250 °С, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение. Его применяют с целью снижения остаточных внутренних на­пряжений и повышения вязкости без заметного снижения твер­дости. При отпуске происходит распад мартенсита (первое пре­вращение при отпуске) и начинается распад остаточного аусте-нита (начало второго превращения при отпуске). Структура низкого отпуска—отпущенный мартенсит. Низкому отпуску обычно подвергают режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей после закалки.

Средний отпуск—нагрев закаленной стали до 300.. .500 °С, выдержка и последующее охлаждение. Применяют обычно для пружин и рессор с целью снятия остаточных напряжений, уве­личения вязкости и пластичности и некоторого снижения твер­дости (до НК.С 40...50). При отпуске мартенсит и остаточный аустенит полностью распадаются (окончание второго превра­щения и третье превращение при отпуске) с образованием структуры троостита отпуска.

Высокий отпуск—нагрев закаленной стали до 500.. .680 °С, выдержка и последующее охлаждение. Его применяют для пол­ного снятия остаточных напряжений и получения наилучшего сочетания прочности и пластичности стали (четвертое превра­щение при отпуске). При высоком отпуске полностью происхо­дят четыре превращения и образуется структура сорбита отпуска. Высокому отпуску обычно подвергают изделия из кон­струкционной стали. Прочность и твердость при высоком отпу­ске снижаются, но остаются значительно выше, чем после от­жига. Высокий отпуск создает наилучшее сочетание прочности и вязкости стали, поэтому термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют термическим улуч­шением или улучшающей обработкой.

Скорость охлаждения при отпуске оказывает влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. При всех видах отпуска изделия охлаждают, как правило, в масле или на воздухе.