Особенности мартенситного превращения

Основной целью закалки является получение высокой твердости, упрочнение (рис.11.4.).

В основе закалки лежит аустенито-мартенситное превращение, заключающееся в перестройке сдвиговым путем гранецентрированной кубической (ГЦК) решетки в объемноцентрированную тетрагональную (ОЦТ) решетку мартенсита (рис.11.5).

Поэтому этот вид термической обработки – закалка на мартенсит является закалкой с полиморфным превращением. Мартенситное превращение является бездиффузионным. Содержание углерода в мартенсите такое же, как и в исходном аустените. Поэтому мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе.

Степень тетратональности мартенсита прямо пропорциональна количеству растворенного углерода. Растворимость углерода в феррите – ограниченном твердом растворе внедрения углерода в α-железе, имеющем объемноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку, - при нормальной (комнатной) температуре составляет 0,0067%С.

Твердость мартенсита зависит от содержания углерода в стали, возрастая от HRC 35 до HRC 65 при изменении содержания углерода от 0,1 до 0,8%С. Природа упрочнения стали при закалке обусловлена затруднением скольжения дислокаций в мартенсите в связи с наличием атомов углерода в решетке, с повышенной плотностью дефектов (двойниковых прослоек и дислокаций), с образованием на дислокациях атмосфер из атомов углерода, с выделением из мартенсита в связи с его распадом в процессе закалочного охлаждения дисперсных частиц карбидной фазы.

Рис.11.4. Диаграмма изотермического распада переохлажденного

Аустенита доэвтектоидной стали (при непрерывном охлаждении более строгим является использование термокинетической диаграммы)

Рис.11.5. Элементарная ячейка кристаллической решетки мартенсита (показаны все возможные положения атомов С)

Из всех структурных составляющих стали мартенсит имеет наибольший, а аустенит - наименьший удельный объем. Поэтому по мере образования мартенсита аустенит, испытывая всестороннее сжатие, не в состоянии превратиться в мартенсит, в результате чего в структуре стали, наряду с мартенситом всегда присутствует незначительное количество остаточного аустенита.

Количество остаточного аустенита может быть значительным, если содержание углерода в стали превышает ~0,6%С. Это обусловлено зависимостью температур начала М_н и конца М_к мартенситного превращения от содержания углерода в стали. С увеличением содержания углерода в стали происходит снижение температур М_н и М_к, в результате чего последняя, начиная с 0,6%С, находится в области отрицательных температур. Следствием этого является увеличение количества остаточного аустенита в закаленной стали.

В случае если скорость охлаждения меньше критической, и кривые охлаждения пересекают линии начала и конца диффузионного распада переохлажденного аустенита (так называемые С-образные кривые), то продуктами превращения являются пластинчатые феррито-цементитные смеси различной степени дисперсности, условно называемые перлитом, сорбитом и трооститом. Качественно проанализировать диффузионное превращение аустенита при различных скоростях охлаждения стали можно путем наложения кривых охлаждения на диаграмму его изотермического распада (рис.11.4). С увеличением скорости охлаждения превращение происходит при более низкой температуре, уменьшается межпластинчатое расстояние (суммарный размер толщин феррита и цементита), возрастает твердость.

При охлаждении со скоростью V_l, равной ~1 град/мин, аустенит превращается в перлит - эвтектоидную феррито - цементитную смесь смежпластинчатым расстоянием более 0,40 мкм, имеющую твердость ~HRC 10.

В случае охлаждения со скоростью V₂, равной ~60 град/мин, из аустенита образуется сорбит - эвтектоидная феррито-цементитная смесь с межпластинчатым расстоянием ~0,4-0,2 мкм, имеющая твердость

~HRC 25.

При скорости охлаждения V₃, равной ~300 град/мин, продуктом превращения аустенита является троостит - эвтектоидная феррито-цементитная смесь с межпластинчатым расстоянием ~0,2-0,1 мкм, имеющая твердость ~HRC 40. Поскольку предельное разрешающее расстояние светового микроскопа составляет ~0,2 мкм, то двухфазное строение троостита выявляется под электронным микроскопом.

В случае если кривая охлаждения (V₄) пересекает линии начала диффузионного и начала бездиффузионного превращений переохлажденного аустенита, то образуется двухфазная мартенсито-трооститная структура.

Отпуск стали

Закаленная сталь очень твердая, но она хрупкая, у нее низкая пластичность и большие внутренние напряжения. В таком состоянии изделие не работоспособно, не надежно в эксплуатации. Поэтому для уменьшения внутренних напряжений и повышения пластичности после закалки всегда следует еще одна операция термической обработки, которая называется отпуск.

Отпуск – это нагрев закаленной стали до температур ниже критических с последующим охлаждением, обычно на воздухе.

Цель отпуска – создание требуемого комплекса эксплуатационных свойств стали, получение более устойчивой, чем после закалки, структуры, уменьшение внутренних напряжений.

Отпуск – последняя операция в технологической цепочке термообработки стали, поэтому полученная при отпуске структура должна обеспечивать свойства, необходимые при работе детали.

В процессе отпуска происходит распад мартенсита за счет выделения из него углерода, тем более полный, чем больше температура и время выдержки. Поэтому уменьшаются внутренние напряжения и плотность дислокаций. Остаточный аустенит при отпуске превращается в мартенсит.

По температуре нагрева отпуск подразделяется на 3 вида: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск проводится при температуре 150-250°С. Образуется структура мартенсит отпуска. Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также детали, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

В результате низкого отпуска уменьшаются внутренние напряжения, немного увеличивается вязкость и пластичность, твердость почти не снижается. Детали могут работать в условиях, где необходима высокая твердость и износостойкость.

Средний отпускпроводится при более высоких температурах – 300-450 °С. Мартенсит превращается в феррито-цементитную смесь с очень мелкими, в виде иголочек, частицами цементита, которая называется трооститом отпуска.

Средний отпуск еще уменьшает внутренние напряжения, увеличивает упругость при этом прочность остается высокой, а предел текучести и предел выносливости достигают максимума. Такому отпуску подвергают рессоры, пружины и другие упругие элементы, а также штамповый инструмент.

Высокий отпуск проводится при 500-680°С. Структура стали - сорбит отпуска с зернистым строением цементита. Она является основным видом обработки конструкционных сталей. В результате высокого отпуска сильно возрастают вязкость и пластичность стали, внутренние напряжения снимаются почти полностью, твердость и прочность снижаются, но все же остаются достаточно высокими.

Закалка с высоким отпуском называется термическим улучшением стали. Такой обработке подвергают детали машин, работающие в условиях знакопеременных и ударных нагрузок: валы, рычаги, шестерни и др.

Время выдержки при низком отпуске составляет от 1 до 10-15 часов, так как при таких низких температурах диффузия углерода идет медленно. Для среднего и высокого отпуска обычно достаточно 1-2 часа.