При нагреве (отпуске) стали

После мартенситного превращения (закалки) сталь состоит из мартенсита и остаточного аустенита. Обе эти структурные составляющие неустойчивы: мартенсит – потому, что в решетке а- фазы содержится повышенное количество углерода, а остаточный аустенит неустойчив при низких температурах, т.к. γ-Fе может существовать в устойчивом состоянии только при температурах выше А₁. При относительно низких температурах в сталях с мартенситно-аустенитной структурой превращений нет из-за малой подвижности атомов. Нагрев должен вызвать распад мартенсита и превращение γ → α. Но эти процессы "растягиваются" на довольно большой интервал. В зависимости от основного содержания превращений весь температурный интервал нагрева от +20⁰С до А₁ принято делить на 4 периода (или 4 превращения при отпуске).

Главное содержание первого превращения – выделение углерода из мартенсита. Этот период растягивается на диапазон 100...350⁰С. Причем процесс идет в две стадии. На первой стадии (100...150 ⁰С) выделяющийся углерод охватывает только отдельные кристаллы мартенсита и образуется так называемый ε-карбид, который, во-первых: имеет состав, отличающийся от цементита и, во-вторых, образуется в виде плоских дисков, сопряженных с мартенситом. Такой распад называется двухфазным. На второй стадии (150…350 ⁰С) в распад вовлекается весь мартенсит, он обедняется углеродом до предела, близкого к равновесному. В итоге образуется структура, состоящая из мелкодисперсного (в виде дисков) ε-карбида и а -фазы с повышенным содержанием углерода. Получающуюся структуру называют отпущенным мартенситом. Такой мартенсит имеет меньшую плотность дислокаций и меньшую тетрагональность, чем мартенсит закалки.

Второе превращение распространяется на диапазон температур 200...300⁰С. Его главное содержание – превращение остаточного аустенита. При этом образуется структура мартенсита и частиц карбидов, устойчивых при этих температурах, т.е. отпущенный мартенсит.

Третье превращение развивается при температурах 350...450 ⁰С. Главное содержание превращения – снятие внутренних напряжений и карбидное превращение ε-карбид → цементит. Одновременно с этим происходит дальнейшее совершенствование а- фазы, ее полигонизация и снятие макро- и микронапряжений. Образующаяся после такого нагрева структура называется трооститом отпуска. Характерная особенность этой структуры – обеспечение наиболее высоких упругих свойств стали.

Четвертое превращение при нагреве развивается в диапазоне температур 450…550 ⁰С. При этих температурах происходит коагуляция карбидов за счет растворения мелких и роста более крупных, но шарообразной формы; происходит полное обеднение α -фазы углеродом и ее полная полигонизация. Образовавшуюся структуру называют сорбитом отпуска. Характерная особенность этой структуры – обеспечение стали наиболее высоким сочетанием прочности, вязкости и пластичности.

При температурах, близких к А₁, образуется грубая феррито-карбидная структура с диаметром карбидных частиц около 3 мкм. Такую структуру называют зернистым перлитом.

Технология закалки

По способу охлаждения различают:

1) Непрерывную закалку (закалку в одной среде) – (рис. 4, кривая 1). Это наиболее простой способ, но при этом в детали появляются большие внутренние напряжения.

2) Закалку в двух средах, или прерывистую закалку (рис. 4. кривая 2). При этом способе сталь быстро охлаждается в интервале температур 750–400 °С, а затем деталь переносится в другую, более мягкую, охлаждающую среду, и в мартенситном интервале охлаждение происходит замедленно. Это приводит к уменьшению внутренних напряжений и снижает вероятность появления трещин. Примером такой закалки может быть процесс с охлаждением вначале в воде, а затем в масле.

Рисунок 4 Температурный интервал нагрева стали под закалку

3) Ступенчатую закалку (рис. 4, кривая 3), при которой нагретую деталь погружают в жидкую среду с температурой на 20-30°С выше точки М н. При этом обеспечивается быстрое охлаждение стали в верхней области температур, а затем делается выдержка, во время которой температура по сечению детали выравнивается, и термические напряжения уменьшаются. Затем детали вынимаются из закалочной ванны, и дальнейшее охлаждение происходит в другой среде, чаще всего на воздухе или в масле. В этом случае мартенситное превращение происходит при медленном охлаждении, в условиях меньших внутренних напряжений. В качестве жидких сред для ступенчатой закалки используют расплавы щелочей, селитры, легкоплавких металлов.

4) Изотермическую закалку (рис. 4. кривая 4). Она существенно отличается от других способов. Здесь выдержка в охлаждающей среде при температуре бейнитного превращения продолжается до полного распада аустенита. Во всех предыдущих случаях при закалке происходит образование мартенситной структуры, а в этом случае – бейнита.