10. ПРЕВРАЩЕНИЕ МАРТЕНСИТА И ОСТАТОЧНОГО АУСТЕНИТА ПРИ НАГРЕВЕ (ОТПУСК СТАЛИ)

Термическую обработку, заключающуюся в нагреве закаленной стали до температуры ниже точки называют отпуском.

Структура закаленной стали — мартенсит и остаточный аустенит — являются неравновесными фазами. Переход стали в более устойчивое состояние должен сопровождаться распадом мартенсита и остаточного аустенита с образованием структуры, состоящей из феррита и цементита. Распад этих фаз идет по диффузионному механизму, и поэтому скорость процесса в основном

Рис. 127. Схема возникновения искажений решетки при образовании зародыша карбида внутри кристаллика a-твердого раствора. Решетки карбида и а-фазы связаны между собой (когерентны). Белые кружки — атомы железа, черные — атомы углерода

обусловлена температурой нагрева. Из указанных фаз при нагреве в первую очередь начинает распадаться мартенсит.

Распад мартенсита (первое превращение при отпуске). На первой стадии превращения, протекающего при температуре ниже 200 °С, в кристаллах мартенсита образуются карбиды. На образование частиц этих карбидов углерод расходуется только из участков мартенсита, непосредственно окружающих кристаллы выделившихся карбидов. Концентрация углерода в этих участках резко уменьшается, тогда как более удаленные участки сохраняют исходную концентрацию углерода, полученную после закалки. Таким образом, после нагрева до низких температур (ниже 150 °С) в стали наряду с частицами выделившихся карбидов одновременно присутствуют два -твердых раствора (мартенсита) с более высокой (исходной) и низкой концентрацией углерода.

В связи 6 этим данный тип распада мартенсита называют двухфазным.

При температурах меньше 200 °С скорость диффузии мала, поэтому образующиеся частицы карбидов не увеличиваются, и распад мартенсита сопровождается зарождением новых частиц карбида, обычно на границах кристаллов мартенсита и в местах с повышенной плотностью дефектов.

Выделяющиеся карбидные частицы имеют форму тонких пластинок толщиной несколько атомных слоев и длиной несколько десятков нанометров. Пластинки 8 карбида когерентно связаны с решеткой а-раствора (рис. 127). Вследствие того, что удельные объемы карбида и а-раствора различны, между ними возникают сильные микроискажения кристаллических решеток обеих фаз.

Вторая стадия распада мартенсита протекает при температуре На этой стадии продолжают выделяться карбиды из мартенсита и, следовательно, он обедняется углеродом.

При этих температурах отпуска диффузия углерода возрастает, и кристаллы карбидов укрупняются в результате притока атомов углерода из областей твердого раствора (мартенсита) с повышенной концентрацией углерода. Поэтому в конечном счете концентрация углерода в кристаллах мартенсита оказывается близкой к однородной.

Частицы карбидов, образующиеся при низкотемпературном отпуске, по кристаллографическому строению и составу отличаются от цементита. В мартенсите после низкотемпературного отпуска присутствует гексагональный -карбид вероятно Образование -карбида при отпуске вместо более стабильного цементита объясняется тем, что на границе а-раствора и -карбида сопряжение решеток лучше, а следовательно, поверхностная энергия ниже, чем на границе мартенсита и цементита, и поэтому возникновение критического зародыша этого карбида требует меньшей флуктуации энергии.

При низкотемпературном отпуске легированных сталей не происходит диффузионного перераспределения легирующих элементов и поэтому выделяющиеся частицы карбидов имеют такое же среднее содержание легирующих элементов, как и в мартенсите.

Структуру, образующуюся в результате распада мартенсита при температурах ниже 350 °С, называют отпущенным мартенситом, который отличается от мартенсита закалки меньшей концентрацией в нем углерода и включением дисперсных кристалликов -карбида, когерентно связанных о решеткой мартенсита. Содержание углерода в отпущенном мартенсите определяется температурой и продолжительностью нагрева, а также составом исходного мартенсита. Чем выше температура отпуска, тем меньше содержание углерода, в твердом растворе (мартенсите). С увеличением длительности нагрева при этих температурах сначала наблюдается интенсивное выделение углерода, а затем процесс замедляется и при больших выдержках практически прекращается.

Обеднение раствора углеродом приводит к тому, что степень его тетрагональности постепенно уменьшается и при температуре 300—350 °С становится практически равной единице, как в кубической решетке. Это свидетельствует о том, что количество углерода, остающегося в -твердом растворе (мартенсите), приближается к равновесному. Однако решетка а-раствора остается упругоискаженной и отличается повышенной плотностью дефектов строения. Распад мартенсита при отпуске сопровождается уменьшением объема.

Легирующие элементы оказывают незначительное влияние на распад мартенсита только при температурах ниже При более высоких температурах введение в сталь сильно тормозит процессы распада мартенсита, образования и роста частиц карбидов. Это имеет большое практическое значение. Если в углеродистой и низколегированной стали состояние отпущенного мартенсита, обладающего высокой твердостью, сохраняется лишь до 250—350 °С, то в высоколегированной стали такое состояние сохраняется до и выше.

Превращение остаточного аустенита (второе превращение при отпуске). При отпуске высокоуглеродистых и многих легированных среднеуглеродистых сталей, содержащих повышенное количество остаточного аустенита при температуре 200-300 °С происходит его распад. Механизм распада остаточного аустенита, по-видимому, близок к механизму бейнитного превращения переохлажденного аустенита (см. с. 176). В результате превращения остаточного аустенита образуются те же фазы, т. е. обедненный углеродом мартенсит и частицы карбидов, что и при отпуске закаленного мартенсита при той же температуре, но структурное состояние продуктов распада отличается от состояния продуктов, получаемых при превращении мартенсита.

Большинство легирующих элементов не только увеличивает количество остаточного аустенита в закаленной стали из-за снижения температуры но и повышает температурный интервал его распада при отпуске. В некоторых высоколегированных сталях, например в быстрорежущих, содержащих 25-35 % остаточного аустенита, распад его протекает после отпуска при температуре 500-600 °С.

Снятие внутренних напряжений и карбидное превращение (третье превращение при отпуске). При температуре 350-400 РС полностью завершается процесс выделения углерода из а-раствора (мартенсита), происходит нарушение когерентности и обособление решеток феррита и карбида, связанное с одновременным протеканием карбидного превращения, в результате которого образуется цементит

Кроме того, изменяются размеры и форма карбидных частиц (она приближается к сфероидальной). Наряду с карбидными превращениями при этих температурах отпуска также происходит изменение структуры — полигонизация а-фазы и релаксация макро- и микронапряжений, возникающих при закалке в процессе мартенситного превращения. Образующуюся после отпуска при структуру обычно называют трооститом отпуст.

Коагуляция карбидов. Повышение температуры отпуска до и выше в углеродистых и во многих низко- и среднелегированных сталях не вызывает изменения фазового состава. Однако с повышением температуры изменяется микроструктура; протекает процесс коагуляции и сфероидизации карбидов.

Коагуляция карбидов в процессе отпуска происходит вследствие переноса атомов углерода через -твердый раствор, при этом происходит растворение более мелких и рост более крупных частиц карбидов при обеднении углеродом -твердого раствора (см. с. 60). Структуру стали после высокого отпуска называют сорбитом отпуст.

Частицы карбидов в структуре троостита или сорбита отпуска в отличие от троостита и сорбита, полученных в результате распада переохлажденного аустенита, имеют зернистое, а не пластинчатое

строение. Образование зернистых структур улучшает многие свойства стали. При одинаковой твердости, временном сопротивлении и пластичности сталь с зернистой структурой имеет более высокие значения предела текучести, относительного сужения и ударной вязкости.

В результате коагуляции размер частиц карбидов становится мм, тогда как после отпуска при 400-450 °С он составляет 3-10-5 мм (троостит отпуска). При температурах, близких к точке образуется еще более грубая ферритно-карбидная структура (диаметр карбидных частиц мм), называемая зернистым перлитом (зернистым цементитом).

Легирующие элементы замедляют процесс коагуляции, поэтому после отпуска при одинаковой темперглуре сталь, легированная этими элементами, сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, соответственно большую прочность. При указанных высоких температурах становится возможной диффузия и легирующих элементов, которая приводит к их перераспределению между ферритом и цементитом. Карбидообразующие элементы диффундируют из феррита в цементит, некарбидообразующие — из цементита в феррит. Обогащение цементита легирующими элементами до предела насыщения приводит к его превращению в специальный карбид который образуется в тех самых местах, где ранее были частицы цементита (превращение «на месте»). Карбиды типа и образуются путем зарождения карбида в твердом растворе с последующим выделением. Это требует перераспределения углерода между твердым раствором и карбидной фазой. Выделение из твердого раствора карбидов нередко вызывает повышение твердости — дисперсное упрочнение.

Влияние отпуска на механические свойства. Распад мартенсита при отпуске влияет на все свойства стали. При низких температурах отпуска (до 200-250 °С) уменьшается склонность стали к хрупкому разрушению. В случае низкотемпературного отпуска твердость закаленной и отпущенной стали мало зависит от содержания в ней легирующих элементов и определяется в основном содержанием углерода в а-растворе (мартенсите). В связи с этим высокоуглеродистые стали, имеющие высокую твердость после закалки, сохраняют ее (более высокое содержание углерода в мартенсите) и после отпуска при температурах до 200-250 °С. Прочность и вязкость стали при низких температурах отпуска несколько возрастает вследствие уменьшения макро- и микронапряжений и изменения структурного состояния. Повышение температуры отпуска от 200—250 до 500-600 °С заметно снижает твердость, временное сопротивление, предел текучести и повышает относительное удлинение, сужение (рис. 128, а) и трещиностойкость

Все легированные стали, особенно содержащие карбидообразующие элементы, после отпуска при одинаковых температурах

Рис. 128. Влияние температуры отпуска на механические свойства закаленной стали с 0,45% С (а) и изменение ударной вязкости легированной стали в зависимости от температуры отпуска и последующей скорости охлаждения (б)

обладают более высокой твердостью, чем углеродистые, что связано с замедлением процесса распада мартенсита, образования и коагуляции карбидов. В сталях, содержащих большое количество таких элементов, как хром, вольфрам или молибден, в результате отпуска при высоких температурах (500-600 °С) наблюдается даже повышение твердости, связанное с выделением в мартенсите частиц специальных карбидов, повышающих сопротивление пластической деформации (дисперсное упрочнение).

Хрупкость при отпуске легированных сталей. При отпуске (250—400 и 500-550 °С) некоторых легированных сталей снижается ударная вязкость. Такое снижение вязкости получило название отпускной хрупкости.

В легированной стали могут возникнуть два вида отпускной хрупкости (рис. 128, б).

Первый вид отпускной хрупкости, называемой необратимой отпускной хрупкостью, или хрупкостью I рода, наблюдается в результате отпуска при 250-400 °С. Этот вид хрупкости присущ в той или другой мере всем сталям. Отличительной особенностью хрупкости I рода является ее необратимый характер; повторный отпуск при той же температуре не улучшает вязкости. Хрупкость этого вида устраняется нагревом до температуры свыше 400 °С, снижающим, однако, твердость. Последующий нагрев при 250 — 400 °С не снижает ударную вязкость.

Сталь в состоянии необратимой отпускной хрупкости имеет блестящий межкристаллитный излом. Хрупкое состояние обусловлено возникновением объемно-напряженного состояния, получающегося при неоднородном распаде мартенсита. В связи с этим

отпуск в области температур наиболее интенсивного развития хрупкости I рода не проводят.

Второй вид отпускной хрупкости, называемой обратимой отпускной хрупкостью, или хрупкостью II рода, наблюдается в некоторых сталях определенной легированности, если они медленно охлаждаются (в печи или даже на воздухе) после отпуска при 500-550 °С. При развитии хрупкости II рода происходит сильное уменьшение ударной вязкости и, что самое главное, повышение порога хладноломкости. В стали в состоянии хрупкости

II рода уменьшаются работа зарождения трещины и особенно ее распространение. Этот вид хрупкости не возникает, если охлаждение о температуры отпуска проводят быстро, например в воде (см. рис. 128, б). При быстром охлаждении с температур отпуска 500-550 °С излом — волокнистый, характерный для вязкого состояния. После медленного охлаждения получается хрупкий кристаллический излом.

Существенным признаком хрупкоети II рода является ее обратимость. Хрупкость, возникшая в результате медленного охлаждения с 500-550 °С, может быть устранена повторным отпуском при 600-650 °С с последующим быстрым охлаждением. Она может быть вызвана вновь дополнительным отпуском определенной длительности при 500-550 °С.

Хрупкость II рода наиболее часто наблюдается в сталях, содержащих повышенное количество фосфора, марганца, кремния, хрома или же при одновременном введении в сталь хрома и никеля или марганца. Введение в сталь молибдена или вольфрама в небольшом количестве или значительно уменьшает склонность ее к отпускной хрупкости.

Появление хрупкости II рода наиболее вероятно связано с диффузией растворенных атомов некоторых элементов к границе зерна и насыщением поверхностных слоев зерна этими элементами без выделения избыточных мелкодисперсных фаз (карбидов, фосфидов и т. д.). Особенно значительное влияние оказывает обогащение пограничных зон фосфором, снижающим работу образования межзеренных трещин, что приводит к развитию отпускной хрупкости. Легирующие элементы хром, марганец, никель повышают содержание фосфора в приграничнвгх объемах, а молибден и вольфрам, наоборот, снижают, уменьшая склонность к отпускной хрупкоети.