Особенности мартенситного превращения.

1. Ориентированность и высокая скорость роста кристаллов мартенсита. Кристаллы мартенсита имеют пластинчатую форму. Со скоростью ~5000 м/с (близкой к скорости звука в стали) они быстро растут до границ зерна аустенита (рис. 3.7), либо ближайшего дефекта. Последующие пластинки расположены под углами 60 или 120°к первым.

2. Полное мартенситное превращение возможно при непрерывном охлаждении до окончания превращения. Температуры начала и конца мартенситного превращения зависят только от содержания углерода (рис. 3.8). Для сталей с содержанием углерода выше 0,6 % температура М_К уходит в область отрицательных температур. При закалке до комнатной температуры превращение А®М происходит не полностью. В структуре стали имеется нестабильный остаточный аустенит (А_ост). Его количество тем больше, чем ниже температура М_К: при содержании углерода 0,6-1,0 % – до 10 % остаточного аустенита, при содержании углерода 1,5 % – до 50 %.

3. Бездиффузионный характер превращения аустенита в мартенсит. При превращении Fe_g в Fe_a атомы железа смещаются на расстояния, меньше межатомных; диффузии углерода нет. На рис. 3.9,а показаны две элементарные ячейки аустенита. Атомы железа показаны кружками. Атомы углерода растворены в аустените по типу внедрения. Они занимают октаэдрические пустоты на серединах ребер и центрах объемов, которые отмечены крестиками. В ГЦК решетке аустенита можно мысленно выделить тетрагональную решетку мартенсита (на рис. 3.9 показана жирными линиями).

Для мартенситного превращения характерно то, что растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы аустенита. Два кристалла считаются когерентными, если они соприкасаются по поверхности раздела, которая является общей для их кристаллических решеток. Перестройка решетки аустенита происходит по кристаллографическим плоскостям, которые по строению и параметрам близки к определенным плоскостям решетки мартенсита. Такими плоскостями могут являться: в решетке аустенита – плоскость семейства (111), в левой ячейке аустенита она показана пунктиром (рис. 3.9,а); в решетке мартенсита – плоскость семейства (110). При нарушении когерентности перестройка аустенита в мартенсит нарушается, рост кристаллов мартенсита прекращается.

4. Обратное превращение мартенсита в перлит происходит при нагреве закаленных сталей и связано с диффузией углерода.

В зависимости от состава сплава, температуры образования кристаллы мартенсита имеют различную морфологию и структуру.

Пластинчатый (игольчатый) мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях с низкими значениями температур М _н и М _к. Кристаллы мартенсита представляют собой широкие пластины, в плоскости шлифа они имеют вид игл (рис. 3.10,а), содержат большое число микродвойников, образующих зоны повышенной травимости (мидрибы).

Пакетный (реечный) мартенсит характерен для низко- и среднеуглеродистых, а также конструкционных легированных сталей. Тонкие параллельные пластины мартенсита, присоединенные одна к другой и разделенные малоугловыми границами, образуют пакет. Толщина пластин мартенсита колеблется от 0,2 до 2,2 мкм, плотность дислокаций – 10¹⁰-10¹² см^-2. В легированных сталях внутри пакетов между пластинами мартенсита присутствуют прослойки остаточного аустенита (рис. 3.10,б).

Отжиг стали

Отжиг – разупрочняющая термическая обработка. Режим назначают в соответствии с диаграммами состояния и изотермического распада аустенита. Скорость нагрева тем выше, чем меньше легированность стали, однороднее структура, проще конфигурация детали. Оптимальная скорость нагрева – 1 мин на 1 мм сечения детали, время выдержки – 20 % от времени нагрева. Среда нагревав печи оказывает на сталь различное действие: окисляющее (О₂, СО₂, Н₂О); восстанавливающее (СО, СН₄); обезуглероживающее(О₂, Н₂); науглероживающее (СО, СН₄); нейтральное (азот, инертные газы). Для всех видов отжига характерно медленное охлаждение – 20-200 °С/час.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг применяется для устранения внутрикристаллической ликвации и выравнивания химического состава сплава. Кроме того, при нагреве растворяются избыточные карбиды. В основе всех процессов лежит диффузия. Температура нагрева зависит от температуры плавления Т _н = 0,8 Т _пл. Длительность – 8-20 часов. Скорость охлаждения выбирают таким образом, чтобы полностью успели пройти обратные диффузионные превращения. Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат из средне- и высокоуглеродистых легированных сталей с целью улучшения обрабатываемости резанием.

Полный отжиг проводится для доэвтектоидных сталей для исправления структурыприих нагреве на 30-50 °С выше критической температуры А_С3 (рис. 3.2), т. е. до однофазного аустенитного состояния. При нагреве образуется мелкозернистый аустенит, после охлаждения сталь имеет мелкозернистую структуру.

Неполный отжиг проводится для заэвтектоидных сталейпри нагреве на 30-50 °С выше критической температуры А _С1 (см. рис. 3.2), т. е. до двухфазного состояния. В структуре сохраняется цементит вторичный, который при отжиге приобретает сферическую форму (сфероидизация). Неполный отжиг обязателен для инструментальных сталей.

Циклический или маятниковый отжиг применяют, если после неполного отжига цементит остается пластинчатым. После нагрева выше температуры А _С1 следует охлаждение до 680 °С, затем снова нагрев до 750-760 °С и медленное охлаждение. В результате отжига получают зернистый цементит.

Рекристаллизационный отжиг применяется для снятия наклепа после холодной пластической деформации. Температура нагрева: Т _р= 0,4 Т _пл. Продолжительность зависит от габаритов изделия.

Отжиг для снятия напряжений, возникающих в неравномерно охлаждающихся отливках и поковках, в сварных соединениях, в деталях после обработки резанием. Температура нагрева выбирается в зависимости от вида предыдущей обработки и находится в широком диапазоне: Т _н=160-700 °С. Продолжительность зависит от габаритов изделия.

Нормализация – разновидность отжига, при котором сталь нагревают до аустенитного состояния на 30-50 °С выше А_С3 (или А_ст) с охлаждением на воздухе. Твердость и прочность после нормализации несколько выше, чем после отжига. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. Для среднеуглеродистых сталей нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки с высоким отпуском. При таком режиме термической обработки изделие меньше подвергается короблению, исключаются закалочные трещины.

Закалка и отпуск

Конструкционные и инструментальные стали подвергают закалке для максимального повышения прочности и твердости. Основные параметры при закалке – температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства, на 1 мм сечения затрачивается: в электрической печи – 1-1,5 мин., в пламенной печи – 1мин., в соляной ванне – 0,5 мин.

Закалка из однофазного состояния (полная закалка)с нагревом на 30-50°С выше критической температуры А _С3 (линия GS на рис. 3.1) применяется для доэвтектоидных сталей. Изменение структуры стали:

.

Закалка из двухфазного состояния (неполная закалка)с нагревом на 30 - 50 °С выше критической температуры А ₁(линия SK на рис. 3.1) применяется для заэвтектоидных сталей, которые предварительно подвергают отжигу для сфероидизации цементита. Карбиды округлой формы не вызывают снижения вязкости. Изменение структуры стали:

.

После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента.

Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, поскольку в структуре остается мягкий феррит:

.

Полная закалка заэвтектоидных сталей недопустима, поскольку в структуре остается много остаточного аустенита:

.

Охлаждение при закалке. Скорость охлаждения определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали. Режим охлаждения должен исключить возникновение повышенных закалочных напряжений, которые могут привести к короблению и растрескиванию деталей сложной формы.

Оптимальный режим: максимальная скорость охлаждения в интервале температур А₁–M_Н для предотвращения распада переохлажденного аустенита в области перлитного превращения; минимальная – в интервале температур мартенситного превращения M_Н–M_К с целью снижения термических напряжений. Охлаждающие среды: вода, технические масла, растворы солей и растворы полимеров, расплавы металлов и щелочей. Для легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита используют минеральное масло (нефтяное), обеспечивающее небольшую скорость охлаждения, достаточную для мартенситного превращения.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке. Закаливаемость определяется содержанием углерода, если менее0,2 %, то степень упрочнения невелика.

Прокаливаемость – способность стали получать закалку на определенную глубину. Глубина закаленного слоя – расстояние от поверхности до середины слоя, в структуре которого имеются одинаковые объемы мартенсита и троостита. Чем выше степень легированности стали, тем меньше критическая скорость охлаждения и выше прокаливаемость. Критический диаметр – максимальное сечение детали, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия.

Способы закалки. В зависимости от формы, массы и марки стали применяют разные способы закалки (рис. 3.11).

Закалка в одном охладителе (V ₁). Охлаждающая среда: вода – для крупных изделий из углеродистых сталей, масло – для небольших деталей простой формы из углеродистых и легированных сталей. Недостаток – большие закалочные напряжения.

Закалка в двух охладителях или прерывистая (V ₂). Деталь быстро охлаждают в одном охладителе (вода) до 300°С и медленно в другом (масло). Применяется для закалки инструмента. Недостаток – сложно определить момент переноса детали из одной среды в другую.

Ступенчатая закалка (V ₃). Нагретое изделие помещают в охлаждающую среду (расплавы солей или металлов), температура которой на 30-50°Свыше точки М_Н и выдерживают некоторое время, необходимое для охлаждения детали и выравнивания температуры по сечению. После выдержки охлаждают с малой скоростью (в масле или на воздухе).

Изотермическая закалка (V ₄) отличается от ступенчатой большим временем выдержки в охлаждающих средах при температуре, соответствующей промежуточному превращению (выше линии М_Н). Обеспечивается полное превращение переохлажденного аустенита в бейнит. Структура характеризуется высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью. Применяется для ответственных изделий из легированных сталей.

Закалка с самоотпуском. Нагретые изделия помещают в охлаждающую среду, выдерживают до неполного охлаждения и вытаскивают. Поверхностные слои изделия повторно прогреваются за счет внутренней теплоты до требуемой отпускной температуры, затем деталь охлаждается повторно, т. е. выполняется закалка, совмещенная с отпуском. Применяется способ для изделий, которые должны сочетать высокую твердость на поверхности и высокую вязкость в сердцевине (инструменты ударного действия: молотки, зубила).

Обработка стали холодом. Высокоуглеродистые и легированные стали имеют температуру окончания мартенситного превращения M_К значительно ниже 0 °С. После закалки до комнатной температуры в стали сохраняется остаточный аустенит, снижающий твердость. Для его устранения проводят охлаждение при низких температурах до (–80 °С). Обычно используют сухой лед. Обработку холодом проводят сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Прирост твердости – 1-4 HRC. Далее сталь подвергают низкому отпуску. Обработку холодом проводят на деталях шарикоподшипников, точных механизмов, измерительных инструментов.

Отпуск – заключительная термическая обработка закаленной стали с целью получения требуемых эксплуатационных свойств детали и уменьшения внутренних напряжений. Температуру выбирают, исходя из нужного уровня вязкости, пластичности и твердости стали.

Низкий отпуск – температура нагрева 150-300 °С. Остаточный аустенит превращается в мартенсит по бейнитному превращению. В мартенсите происходит перераспределение углерода. При 150-200 °C выделяется ε-карбид с ГПУ решеткой (Fe₂C), который имеет когерентную границу. При 200-300°С образуются пластинки карбидов Fe₃C размером 80х200 нм и толщиной несколько атомных диаметров с когерентными либо полукогерентными границами. Пластинки растут, толщина увеличивается до 200-400 нм, длина – более 1 мкм, границы становятся некогерентными. Наблюдается снижение тетрагональности решетки и внутренних напряжений. Структура стали – мартенсит отпуска – мелкие карбиды и мартенсит с высокой и низкой концентрацией углерода. Проводится для инструментальных сталей, для сталей после поверхностной закалки и цементации.

Средний отпуск – температура нагрева до 500 °С. Из решетки Fe_a. выделяется избыточный углерод, карбиды приобретают строение цементита, растут, форма приближается к игольчатой. Структура стали – троостит отпуска –сочетает высокую упругость и твердость 40-45 HRC. Используется для изделий типа пружин, рессор, торсионов.

Высокий отпуск – температура нагрева свыше 500°С. Изменение фазового состава стали не происходит, микроструктура изменяется за счет роста и сфероидизации цементита. Наблюдается растворение мелких и рост крупных карбидных частиц. При 550-600 °С образуется структура сорбит отпуска, сочетающая высокую пластичность и ударную вязкость при достаточной твердости. Используется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки. При нагреве стали до 650-700 °С получают грубую феррито-цементитную смесь – перлит отпуска (зернистый перлит).

Улучшение стали – термическая обработка, включающая закалку и высокий отпуск конструкционных сталей.