Превращения мартенсита в перлит при отпуске

Отпуском называют термическую операцию, заключающуюся в нагреве закаленной стали до температуры ниже Аc₁, с последующей выдержкой и охлаждением с заданной скоростью. В процессе нагрева происходят объемные и структурные изменения в стали.

Мартенсит закалки – неравновесная структура, сохраняющаяся при низких температурах. При закалке возникают большие внутренние напряжения в результате объемных изменений: мартенсит имеет больший объем, чем аустенит. Для получения более равновесного состояния после закалки изделия подвергают отпуску, нагревая их до температур ниже Ас₁.

Различают четыре основных превращения, происходящих при нагреве закаленной стали.

I превращение. В интервале температур 80 –200^ОС в отдельных участках исходного мартенсита происходит выделение тончайших пластин карбида железа, так называемый ε-карбид, по составу близкий к Fe₂C. В результате образуется структура отпущенный мартенсит.

II превращение. В интервале температур 200-300^ОС остаточный аустенит переходит в отпущенный мартенсит. При этом происходит уменьшение тетрагональности мартенсита и при температурах ближе к 300^ОС начинается обособление и рост частичек карбида.

III превращение. В интервале температур 300-400^ОС карбидные частицы полностью обособляются, приобретают строение Fe₃C и начинают расти. Образующаяся высокодисперсная смесь феррита и цементита называется трооститом отпуска.

IV превращение.Выше 400 ^ОС происходит рост частиц карбида. При 550-600 ^ОС образуется сорбит отпуска.В отличие от сорбита закалки сорбит отпуска имеет округлую форму выделений цементита.

Сорбит отпуска, отличается от аналогичных структур, полученных при непрерывном охлаждении. Выделения цементита в нем имеют зернистую форму, тогда как после непрерывного охлаждения из аустенитной области они имеют пластинчатую форму. При одинаковой твердости тростит и сорбит отпуска по сравнению с троститом и сорбитом, полученным при непрерывном охлаждении, имеют более высокие значения пределов текучести и ударной вязкости.

При нагреве стали до 650-700 ^ОСполучают перлит отпуска(зернистый перлит).

Основы технологии термической обработки стали

Основными видами термической обработки стали являются отжиг, закалка и отпуск.

Отжиг стали

Отжиг стали– термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла до определенной температуры, выдержки и охлаждении с отключенной печью (т.е. с минимально возможной скоростью, порядка 50-100 град/час). Цели отжига — снижение твердости и улучшение обрабатываемости стали, изменение формы и величины зерна, выравнивание химического состава, снятие внутренних напряжений. Для стали применяют различные виды отжига: полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный, низкий, отжиг на зернистый перлит, нормализация. Температуры нагрева стали для ряда видов отжига связаны с положением линий диаграммы Fe-Fe₃C (рис.39). Низкая скорость охлаждения обычно достигается при остывании стали вместе с печью.

Отжиг, при котором нагрев и выдержку металла производят с целью приведения его в более устойчивое состояние за счет снятия напряжений, уменьшения искажений кристаллической решетки, рекристаллизации, называют отжигом первого рода, так как он не связан с превращениями в твердом состоянии. Такой отжиг возможен для любых металлов и сплавов.

Если в сплаве при нагреве происходит фазовое превращение (полиморфное или растворение второй фазы), то нагрев выше некоторой критической температуры сопровождается изменением в строении сплава. При последующем охлаждении произойдет обратное превращение. Если охлаждение достаточно медленное, то превращение будет полным, а фазовый состав будет соответствовать равновесному состоянию. Такой отжиг называют отжигом второго рода или фазовой перекристаллизацией.

Для стали можно применять как отжиг первого рода, так и отжиг второго рода.

К отжигу первого рода относят:

-диффузионный (отжиг на гомогенизацию);

-рекристаллизационный;

-отжиг для снятия внутренних напряжений.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) заключается в нагреве сталидо 1000-1100°С, длительной выдержке (10-15 часов) при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В результате диффузионного отжига происходит выравнивание неоднородности стали по химическому составу. Благодаря высокой температуре нагрева и продолжительной выдержке получается крупнозернистая структура, которая может быть устранена последующим полным отжигом. Этот вид отжига применяют в основном для легированных сталей.

Рис. 39. Области температур нагрева для различных видов отжига

Рекристаллизационный отжиг предназначен для снятия наклепа и внутренних напряжений после холодной деформации и подготовки структуры к дальнейшему деформированию. Нагрев необходимо осуществлять выше температуры рекристаллизации, которая для железа составляет 450°С. Обычно, для повышения скорости рекристаллизационных процессов применяют значительно более высокие температуры, которые, однако, должны быть ниже линии PSK диаграммы Fe-Fe₃C. Поэтому температура нагрева для рекристаллизационного отжига составляет 650-680°С.

В результате рекристаллизационного отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью. Этот вид отжига применяют в основном для малоуглеродистых сталей, предназначенных для холодной деформации.

Отжиг для снятия внутренних напряжений применяется в тех случаях, когда структура стали удовлетворительна и необходимо только уменьшить внутренние напряжения, возникающие при кристаллизации, сварке или после механической обработки. В этом случае сталь нагревают значительно ниже линии PSK диаграммы Fe-Fe₃C (200-600°С).

Наиболее часто для стали применяют отжиг второго рода, который в зависимости от химического состава углеродистой стали может быть полным и неполным.

Полный отжиг применяется для доэвтектоидных сталей. Нагрев стали для полного отжига осуществляется на 30-50° выше линии GS диаграммы Fe-Fe₃C (рис.39). При этом происходит полная перекристаллизация стали и уменьшение величины зерна. Исходная структура из крупных зерен феррита и перлита при нагреве превращается в аустенитную, а затем при медленном охлаждении в структуру из мелких зерен феррита и перлита. Повышение температуры нагрева может привести к росту зерна. При полном отжиге снижается твердость и прочность стали, а пластичность повышается.

При неполном отжиге нагрев производится на 30-50°С выше линии PSK диаграммы Fe-Fe₃C. Он производится, если исходная структура не очень крупнозернистая или не надо изменить расположение ферритной (в доэвтектоидных сталях) или цементитной (в заэвтектоидных сталях) составляющей. При этом происходит лишь частичная перекристаллизация — только перлитной составляющей стали.