Мартенсит закалки — неравновесная (метастабильная) структура, сохраняющаяся ввиду малой подвижности атомов при низких температурах. При закалке в изделиях всегда возникают большие внутренние напряжения в результате объемных изменений. Для получения более равновесного состояния после закалки изделия подвергают отпуску, нагревая до температур ниже Ас1. Изучая процессы, происходящие в закаленной стали при нагреве, наиболее часто пользуются прибором — дилатометром. В прибор помещают два одинаковых по размерам образца из одной и той же стали. Один из образцов находится в отожженном, другой — в закаленном состояниях. При нагреве до температур ниже Ас1в отожженном образце никаких превращений не происходит, его размеры изменяются только за счет теплового расширения, а в закаленном образце совершаются и структурные превращения, сопровождающиеся изменениями объема. Прибор дифференциальный, он показывает только те изменения размеров, которые происходят в закаленном образце при нагреве за счет структурных превращений. В результате получается кривая, подобная приведенной на рис. 18.
Различают четыре основных превращения, происходящих при нагреве закаленной стали. В результате изменения состава стали и времени выдержки при отпуске происходит смещение температурных интервалов этих превращений, однако сущность процессов остается неизменной.
Первое превращение происходит при температуре до 200 °С. При низких температурах — до 100 °С — скорость диффузии очень мала. Так, при 0 °С время, в течение которого половина объема мартенсита будет участвовать в начальной стадии распада, это сотни лет. При 20 °С на этот же процесс потребуется около шести лет, а при 100° С всего лишь 50 мин. Поэтому до 80 °С за время эксперимента практически никаких изменений в закаленном образце не наблюдается.
В интервале температур от 80 до 150—200 °С происходит так называемый «двухфазный» или «гетерогенный» распад мартенсита.
Рис. 18. Дилатометрическая кривая отпуска закаленной (а) и отожженной (б) углеродистой стали (1,2% С)
При этих температурах в отдельных участках исходного мартенсита выделяются тончайшие пластины карбида. Толщина таких пластинок составляет несколько атомных слоев, длина — несколько сот ангстрем. Решетка образовавшегося карбида когерентна решетке мартенсита, т. е. на их границе имеется общий слой атомов. Состав образовавшихся пластинок карбида окончательно не установлен. Известно, что он метастабилен, имеет гексагональную решетку. Его обозначают как ?-карбид или карбид FexC.
В непосредственной близости от образовавшихся пластинок карбида твердый раствор обедняется углеродом, уменьшается тетрагональность мартенсита. Но при этих температурах ввиду малой скорости диффузии концентрация не успевает выравниваться, поэтому в одном зерне могут сосуществовать два твердых раствора с одинаковым типом решетки, но с разной концентрацией углерода. Поэтому такой распад мартенсита и называется «двухфазным».
Кристаллы образовавшихся карбидов при этих температурах не растут. Процесс развивается за счет выделения новых частиц карбида в тех участках мартенсита, которые имеют исходную концентрацию углерода.
В результате первого превращения при отпуске получается так называемый отпущенный или кубический мартенсит.
Отпущенный мартенсит — это гетерогенная смесь пересыщенного углеродом ?-раствора неоднородной концентрации (от исходной до незначительно большей, чем в феррите) и не обособленных частиц карбида. С уменьшением тетрагональности мартенсита уменьшается объем всего образца (см. рис. 18).
Второе превращение происходит в интервале температур 200—300 °С. В этом интервале остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит. Такое превращение возможно вследствие того, что с уменьшением тетрагональности мартенсита уменьшаются сжимающие напряжения, действующие на остаточный аустенит.
Превращение остаточного аустенита сопровождается некоторым увеличением объема. Одновременно происходит уменьшение тетрагональности мартенсита и при температурах ближе к 300 °С начинаются обособление и рост частичек карбида. Внутренние напряжения уменьшаются.
Третье превращение происходит в интервале 300— 400 °С. Скорость диффузии при этих температурах заметно увеличивается, весь избыточный углерод постепенно выделяется из решетки Fe?, карбидные частички полностью обособляются, приобретают строение Fe3C и начинают расти. Образующаяся высокодисперсная смесь феррита и цементита называется трооститом отпуска.
Четвертое превращение — при нагреве выше 400° С. При этой температуре происходят постепенный рост частичек карбида и их коагуляция. При 550—600 °С размер частичек равен 0,1—0,2 мкм. Такая структура называется сорбитом отпуска.
В отличие от сорбита, полученного при охлаждении аустенита, цементит в сорбите отпуска имеет округлую форму. При нагреве закаленной стали до 650—700 °С получают перлит отпуска или глобулярный перлит с размером частиц —0,3—0,4 мкм.
Малая диффузионная подвижность атомов легирующих элементов оказывает существенное влияние на процессы, протекающие в закаленных сталях при отпуске (только никель и марганец не оказывают заметного влияния на эти процессы).
На первую стадию распада мартенсита (до 150 °С), когда происходит «двухфазный» распад, влияние легирующих элементов незначительно. Выделяющийся карбид железа имеет такую же концентрацию легирующих элементов, как и исходный мартенсит, и также существует когерентная связь.
При дальнейшем нагреве процесс протекает медленнее, чем в углеродистых сталях, и поэтому легированные стали сохраняют структуру отпущенного мартенсита до более высоких температур (иногда до 400— 500 °С).
Легирование оказывает существенное влияние на второе превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит. Температура этого превращения повышается. Так как в легированных сталях, как правило, сохраняется значительное количество остаточного аустенита, то превращение последнего в отпущенный мартенсит способствует сохранению твердости до более высоких температур.
Третье и четвертое превращения в легированных сталях также происходят при более высоких температурах. Поэтому после одинаковых по температуре нагревов закаленных сталей легированные стали имеют более высокую твердость и прочность.
Карбидная фаза при отпуске претерпевает специфические превращения. С повышением температуры увеличивается подвижность атомов легирующих элементов, благодаря чему становится возможным их перераспределение между цементитом и ферритом. Концентрация легирующих элементов в цементите увеличивается и при определенных значениях решетка цементита перестраивается в решетку того специального карбида, который может находиться в данной стали в равновесии с ферритом. (При сохранении легированного мартенсита до высоких температур возможно выделение специального карбида и непосредственно из мартенсита). Образовавшиеся дисперсные карбиды могут значительно увеличивать твердость.
Таким образом, выше были рассмотрены четыре основных превращения в стали, протекающие при нагреве и охлаждении: ПА, АП, АМ и МП. В основе всех превращений лежит стремление системы к минимуму свободной энергии. На рис. 19 приведена схема изменения свободной энергии основных структур с изменением температуры. Из этой схемы видно, что превращения МА и ПМ невозможны.
Обработка стали холодом/Обработка ножа холодом
