6. Превращения при отпуске

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали, структура которой состоит из тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита, до температур ниже выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. Так как мартенсит представляет собой перенасыщенный твердый раствор углерода в то структура закаленной стали является нестабильной и при отпуске протекают процессы, приводящие к равновесному состоянию стали, что, очевидно, будет достигаться выделением углерода из мартенсита и остаточного стенита.

Рис. 218. Дилатометрическая кривая отпуска углеродистой стали (1.2 % С): а — закаленной; б — отожженной

Рис. 210. кривые процессов, совершающихся при отпуске

Дилатометрические исследования процессов, протекающих при отпуске закаленной углеродистой стали выявляют три температурных интервала изменения длины образцов: уменьшение при 150 °С, увеличение при 150-300 °С и снова уменьшение длины при 300-400 °С (рис. 218). С дилатометрическими данными коррелируют результаты измерения электросопротивления, магнитной индукции и других свойств. Соответствующие превращения при отпуске называются первым, вторым и третьим. Так как исходной является

структура, состоящая из мартенсита и аустенита, а удельный объем мартенсита выше, чем у аустенита, то при превращении мартенсита объем будет уменьшаться (сжатие образца), а при превращении аустенита — увеличиваться (расширение образца). Таким образом первое и третье превращения связаны с изменениями состояния мартенсита, а второе — с изменением состояния аустенита.

Большую роль в выяснении сущности процессов, протекающих при отпуске, играют рентгеноструктурные исследования. Было установлено, что первое превращение связано с распадом мартенсита, второе с распадом остаточного аустенита и третье с дораспадом мартенсита и карбидообразованием (рис. 219). Дальнейшие исследования, проведенные с привлечением самых разнообразных методов исследования показали, что деление процессов, протекающих при отпуске на три стадии довольно условно; кроме того, в температурные интервалы значительные поправки могут вносить легирующие элементы.

К настоящему времени установлено» что в мартенсите еще до начала первого превращения происходят внутрифазовые изменения, связанные с перераспределением атомов углерода, которые могут переходить из одних междоузлий в другие, перемещаться к дефектам решетки, образовывать микроскопления — кластеры. Эти процессы протекают довольно быстро при комнатной температуре и даже несколько ниже ее Кластеры из атомов углерода размером 4—б нм располагаются в кристаллах мартенсита определенным, закономерным образом, образуя так называемую модулированную или регулярную структуру, и являются зародышами, т. е. подготовленными местами для карбидов.

Первая стадия распада при отпуске заключается в выделении углерода из мартенсита, при этом наряду с твердым раствором исходной концентрации по углероду, в котором не произошло выделение карбидов, появляется мартенсит, содержащий значительно меньше углерода поэтому эта стадия распада называется двухфазной. Скорость первой, двухфазной стадии распада увеличивается при уменьшении содержания в стали углерода. В процессе первого превращения при отпуске закаленной стали образуется -карбид с гексагональной плотноупакованной решеткой с параметрами нм, нм. Химический состав (формула) -карбида Низкотемпературный -карбид выделяется в виде тонких пластин или стержней. Процесс распада протекает не за счет укрупнения частиц -карбида, а за счет увеличения их числа. Решетка -карбида закономерно ориентирована по отношению к решетке исходного мартенсита. Выделение -карбида происходит преимущественно в бездвойниковых участках мартенситных кристаллов.

На второй стадии отпуска основным процессом является распад остаточного аустенита. В основных чертах процесс аналогичен бейнитному превращению. Продуктом распада остаточного аустенита является гетерогенная смесь, состоящая из пересыщенного а — твердого раствора и карбидной фазы. Наряду с распадом остаточного аустенита, при тетрагональность решетки мартенсита продолжает уменьшаться, что свидетельствует о дальнейшем выделении углерода из мартенсита. Мартенсит имеет тетрагональную решетку до При продуктом карбидообразования является не — карбид, а цементит с ромбической решеткой ). Образование цементита может протекать как путем перестройки решетки -карбида в решетку цементита, так и непосредственным выделением цементита из мартенсита. В последнем случае цементит выделяется на двойниках в мартенситном кристалле. Цементит имеет формулу и выделяется в виде пластин, закономерно ориентированных по отношению к мартенситу. С увеличением температуры отпуска увеличивается размер цементитных пластин и их доля. Для сталей с значительно выше комнатной, частичный распад мартенсита с выделением карбидов может протекать непосредственно при закалке — этот процесс называется самоотпуском.

К началу третьего превращения фазовый состав стали состоит из отпущенного малоуглеродистого мартенсита с кубической решеткой и

пластинок цементита. При третьем превращении происходит полный дораспад мартенсита (содержание углерода в нем становится равным 0,01 %, т. е. равным содержанию углерода в равновесном феррите) и подрастание (коагуляция) цементитных пластин. По мере подрастания цементитных пластин происходит срыв когерентности решетки цементита и мартенсита, благодаря чему уменьшаются внутренние напряжения.

Увеличение скорости нагрева при отпуске смещает температуру начала всех превращений вверх по температурной шкале, что связано с тем, что превращения при отпуске — диффузионные и при очень быстром нагреве не успевают пройти до конца.

Рис. 220. Микроструктура стали (0.45% С), X 500: а - отпуск при 400 °С, троостит; б — отпуск при 550 °С, сорбит

Игольчатый характер строения мартенсита сохраняется до высоких температур и только при продолжительном отпуске при 650 °С вместо игольчатой мартенситной структуры наблюдаются равновесные мелкие ферритные зерна. Дальнейшее повышение температуры приводит к процессам возврата (преимущественно уменьшению плотности дислокаций) в феррите и рекристаллизации ферритных зерен.

Сталь, отпущенная при 350-500 °С, имеет структуру троостита (рис. 220, а), а при 500-600 °С — структуру сорбита (рис. 220, б). Эти структуры представляющие собой смесь цементита и феррита, различаются по твердости и степени дисперсности цементитных частиц.