Особенности превращений при отпуске

При отпуске закаленной стали, структура, которой состоит из мартенсита и остаточного аустенита, различают стадию предвыделения и три стадии превращения: распад мартенсита, распад остаточного аустенита, карбидное превращение. Температурные интервалы этих превращений весьма условны, поскольку они накладываются друг на друга, зависят от продолжительности отпуска и содержания углерода в стали. Вместе с тем на основе анализа объемных изменений при отпуске углеродистых сталей традиционно выделяют три температурных интервала и соответствующие им три превращения. Первое и третье превращения связаны с уменьшением удельного объема, а второе – с его увеличением.

Еще до начала первого превращения в мартенсите происходят изменения, связанные с перераспределением атомов углерода между междоузлиями, - образованием сегрегации атомов углерода в виде примесных атмосфер на дефектах решетки и в виде плоских микроскоплений – кластеров. Эти процессы (так называемая стадия предвыделения) развиваются в процессе закалочного охлаждения, при нормальной (комнатной) температуре сразу после закалки и при нагреве закаленной стали до ~80°С (здесь и далее характерные температурные интервалы указаны для эвтектоидной углеродистой стали в случае использования традиционных режимов нагрева в электропечи). Возникновение примесных атмосфер на дефектах решетки обусловлено тем, что последние являются более выгодными местами для атомов углерода, чем нормальные позиции этих атомов в решетке мартенсита, образование кластеров углерода можно трактовать, как зонную стадию распада твердого раствора, аналогичную концентрационному расслоению при старении закаленных без полиморфного превращения сплавов. Кластеры углерода размером 4-6 мм, располагаясь в кристаллах мартенсита определенным, закономерным образом, являются подготовленными местами для формирования карбидной фазы.

Первое превращение протекает при нагреве закаленной стали в интервале температур от ~80 до 200°С. При этом происходит выделение промежуточных карбидов из мартенсита - следующая после сегрегации углерода стадия структурных изменений при отпуске. Начиная с температуры ~80°С, экспериментально обнаруживается метастабильный

ξ-карбид Fe₂C, отличающийся от цементита Fe₃C типом кристаллической решетки (гексагональная у ξ-карбида, ромбическая у цементита). Промежуточный карбид образуется прямо из кластеров углерода путем небольшой перестройки их решетки с одновременным увеличением соотношения содержаний углерода и железа, либо выделяется независимо от кластеров углерода непосредственно из мартенсита. При низких температурах ξ-карбид выделяется в виде очень дисперсных (10-100 нм) пластин или стержней, связанных общей кристаллографической плоскостью с решеткой мартенсита, чем и обеспечивается когерентность решеток на границе раздела фаз. С повышением температуры или увеличением продолжительности отпуска происходит укрупнение частиц ξ-карбида. Образование метастабильного промежуточного карбида Fe₂C вместо более стабильного цементита обусловлено лучшим сопряжением мартенсита на границе с ξ-карбидом и, как следствие, меньшим уровнем поверхностной энергии. При температурах ниже ~150°С, когда подвижность атомов углерода еще слишком мала, происходит так называемый "двухфазный" распад мартенсита. В тех участках, где выделился карбид, содержание углерода и, следовательно, степень тетрагональное меньше, чем в участках, не затронутых распадом. Поэтому длительное время из-за низкой скорости диффузии сосуществуют два твердых раствора с разным содержанием углерода: один с исходным, равным содержанию углерода в аустените, а другой с содержанием ~0,25% С. При этом двухфазный распад развивается не путем роста карбидных частиц, а в результате выделения новых частиц карбида в участках мартенсита с исходным содержанием углерода. Таким образом, происходит формирование мартенситаотпуска, представляющего собой слабо пересыщенный (~0,25% С) твердый раствор внедрения углерода в α-железе с когерентными (сохраняющими непрерывность атомных плоскостей) его решетке выделениями частиц ξ-карбида. Из-за выделений карбидной фазы он отличается повышенной травимостью. Вторая стадия распада мартенсита - так называемый однофазный распад - заключается в обеднении углеродом α-твердого раствора при одновременном росте карбидных частиц и протекает в интервале температур ~150-300°С. При этих температурах скорость диффузии углерода достаточна, чтобы обеспечить рост карбидных частиц при переносе атомов через

α-твердый раствор. При температуре ~300°С в -твердом растворе остается около 0,1%С и рентгеноструктурный анализ не выявляет тетрагональность (с/а) α-твердого раствора. При температуре 400°С или при более высокой

α-твердый раствор освобождается от избытка углерода и тем самым заканчивается переход мартенсита в феррит.

В сталях с высокой температурой М_н частичный распад мартенсита с выделением промежуточного карбида (так называемый закалочный самоотпуск) успевает произойти во время закалочного охлаждения.

Второе превращение, аналогичное бейнитному превращению, происходит при температурах ~200-300°С. При этом остаточный аустенит превращается в нижний бейнит-смесь несколько пересыщенной углеродом α-фазы, образуемой сдвигом, и частиц ξ-карбида. Строго говоря, бейнит представляет собой слабо пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе с частицами ξ-карбида.

Третье превращение, наиболее активно развивающееся при температурах 300-400°С, заключается в завершении образования стабильного цементита Fe₃C и последующей его коагуляции. При этом цементит может выделяться либо прямо из α-твердого раствора после растворения в нем ранее образовавшегося ξ-карбида, либо образоваться путем перестройки решетки е-карбида в решетку цементита. Завершающей стадией карбидного превращения является коагуляция (увеличение размеров) и сфероидизация цементита, интенсивно развивающиеся от температуры ~350°С. Выше температуры ~600°С развивается только процесс коагуляции цементита, поскольку все частицы является уже сферическими.

После отпуска при температурах 300-450°С образуется сильно травящаяся мелкодисперсная смесь феррита и цементита, называемая трооститом отпуска. Под микроскопом заметна игольчатая предыстория феррита, обусловленная характером строения мартенсита. Дальнейшее повышение температуры приводит к развитию процессов возврата (преимущественно к уменьшению плотности дислокаций) в феррите и рекристаллизации ферритных зерен. Структура при этом теряет характерные морфологические признаки мартенсита. Поэтому полученный при температурах 450-650°С сорбит отпуска (смесь феррита и цементита) имеет характерное зернистое (точечное) строение цементита.

Дальнейшее повышение температуры отпуска выше 650°С (приближение к А_с1) приводит к дальнейшей коагуляции карбидных частиц и формированию структуры зернистого перлита.

В отличие от пластинчатых феррито-цементитных смесей (троостит, сорбит), образующихся при охлаждении из аустенита, те же структуры, формируемые при отпуске, имеют зернистое строение цементита. Форма цементита определяет различие в свойствах у одноименных структур, полученных при отпуске или сформированных после охлаждения из аустенита. Так, более высокие значения ударной вязкости и предела текучести характерны для структур с зернистым строением цементита.

Снижение внутренних напряжений происходит во всем температурном интервале отпуска и наиболее интенсивно после срыва когерентности решеток мартенсита и цементита при температурах третьего превращения

Увеличение температуры отпуска приводит к монотонному снижению твердости углеродистых сталей, за исключением двух температурных интервалов, характерных для высокоуглеродистых сплавов железа.