Превращение при отпуске закаленной стали

Структура закаленной стали состоит из мартенсита и остаточного аустенита. Обе структурные составляющие нестабильны и стремятся к распаду на равновесную смесь феррита и цементита, однако при комнатной температуре этот процесс протекает бесконечно медленно, и для его ускорения требуется нагрев.

Отпуск – это термическая операция, заключающаяся в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки А ₁, выдержке при температуре нагрева и последующем охлаждении, обычно на воздухе. В зависимости от температуры при отпуске стали, закаленной на мартенсит, протекают следующие процессы:

1. Сегрегация углерода на дефектах решётки мартенсита, а именно, образование примесных атмосфер на дислокациях. Экспериментально выявлено, что сегрегации углерода образуются на структурных несовершенствах при комнатной температуре сразу после закалки и даже в период закалочного охлаждения от температуры М _н (малоуглеродистых). Это явление можно назвать самоотпуском. Для насыщения атмосфер на дислокациях в мартенсите требуется примерно 0,2% С. При комнатной температуре образование сегрегаций на дислокациях быстро идёт в первые минуты выдержки и завершается за 1-2 ч после закалки.

2. Выделение промежуточных карбидов из мартенсита. Начиная примерно с температуры 100°С, экспериментально обнаруживается метастабильный ε-карбид, отличающийся от цементита типом решётки. Вероятная формула ε-карбида Fe₂₄C. При низких температурах ε-карбид выделяется в виде очень дисперсных пластин или стержней. С повышением температуры или увеличением продолжительности отпуска частицы ε-карбида укрупняются.

3. Образование цементита Fe₃C. Этот процесс происходит при температурах выше 250°С, причём наиболее активно в интервале 300-400^оС (при более высоких температурах отпуска выигрыш в объёмной и поверхностной свободной энергии делает предпочтительнее зарождение и рост цементита Fe₃C, чем промежуточного ε-карбида Fe₂₄C).

4. Коагуляция и сфероидизация цементита. Это завершающая стадия процессов карбидообразования при отпуске. При сравнительно низких температурах цементит растёт в виде дисперсных пластин, полукогерентных матрице. Размер цементитных пластин различен. Концентрация углерода в α-растворе около мелких частиц выше, чем около крупных. Эта разность концентраций обеспечивает диффузию углерода в α-растворе от более мелких частиц к более крупным. Так осуществляется коагуляция и сфероидизация цементита при отпуске стали. По настоящему интенсивно эти процессы начинают развиваться с 350–400°С. Выше 600°С все частицы цементита – сферические, и идёт только их коагуляция.

5. Распад остаточного аустенита. Этот процесс играет существенную роль в отпуске высокоуглеродистых сталей, где остаточный аустенит находится в значительном количестве. Распад аустенита активно протекает в интервале температур примерно 200-300°С. Остаточный аустенит при отпуске превращается в отпущенный мартенсит, или нижний бейнит.

6. Уменьшение концентрации углерода в a -растворе. Этот процесс идёт во всём температурном интервале выделения из матричной фазы карбидов.

Из сказанного видно, что при отпуске закаленной углеродистой стали, протекают процессы, которые по времени и температурному интервалу своего развития накладываются один на другой. Указанные температурные границы структурных изменений могут смещаться вверх или вниз с изменением содержания углерода в стали или постепенно снижаться при увеличении продолжительности отпуска.