Особенности мартенситного превращения

1. Ориентированность и высокая скорость роста кристаллов мартенсита. Кристаллы мартенсита имеют пластинчатую форму. Со скоростью, близкой к скорости звука в стали (~1000 м/с), они растут до границы зерна аустенита (рис. 5.6), либо ближайшего дефекта. Последующие пластинки расположены под углами 60 или 120°к первым. Большая скорость роста мартенсита способствует образованию наклепа в аустените. Образующиеся при этом дислокации переходят в мартенсит, повышая его твердость, снижая пластичность.

2. Полное мартенситное превращение возможно только при непрерывном охлаждении. Температуры начала и конца мартенситного превращения зависят от содержания углерода (рис. 5.7). Для сталей с содержанием углерода выше 0,6 % температура М_К уходит в область отрицательных температур. При закалке до комнатной температуры превращение А®М происходит не полностью. В структуре стали имеется остаточный аустенит А_ост. Его количество тем больше, чем ниже температура М_К: при содержании углерода 0,6–1,0 % – до 10 % А_ост, при содержании углерода 1,5 % – до 50 %.

3. Бездиффузионный характер превращения аустенита в мартенсит. Атомы углерода растворены в аустените по типу внедрения и занимают октаэдрические пустоты (показаны крестиками на серединах ребер на рис. 5.8). Два валентных электрона атома углерода с двумя ближайшими атомами железа образуют ковалентные связи. Остальные два валентных электрона переходят в электронный газ, образуя металлическую связь между атомами решетки. Образующиеся в мартенсите трехцентровые ковалентные Fe–С–Fe-связи (рис. 5.8, б) на порядок сильнее металлических. Эти связи очень жесткие, допускают лишь небольшие упругие деформации. Превышение приводит к скачкообразному исчезновению взаимодействия. Сочетание металлической и ковалентной связей в решетке мартенсита является основной причиной, предопределяющей его высокую твердость и хрупкость.

На рис. 5.8, а показаны две элементарные ячейки аустенита (кружки – атомы железа). Для мартенситного превращения характерно то, что растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы аустенита. Два кристалла считаются когерентными, если они соприкасаются по поверхности раздела, которая является общей для их кристаллических решеток. Перестройка решетки аустенита происходит по кристаллографическим плоскостям, которые по строению и параметрам близки к определенным плоскостям решетки мартенсита. Такими плоскостями могут являться: в решетке аустенита – плоскость семейства (111), показанная в левой ячейке аустенита пунктиром на рис. 5.8, а; в решетке мартенсита – плоскость семейства (110).

В ГЦК решетке аустенита можно мысленно выделить тетрагональную ячейку (на рис. 5.8, а она показана жирными линиями). В этой тетрагональной ячейке аустенита отношение периодов с / а = √2 = 1,414, в то время как у решетки мартенсита экспериментально установленная степень тетрагональности с / а < 1,09. Для превращения выделенной объемноцентрированной тетрагональной ячейки в ячейку мартенсита прикладывается деформация Бейна (рис. 5.8, а), которая связана с растяжением на ~ 12 % вдоль осей [100]_a и [010]_a и сжатием на ~ 17 % в направлении [001]_a. При нарушении когерентности перестройка аустенита в мартенсит нарушается, рост кристаллов мартенсита прекращается.

4. Обратное превращение мартенсита в феррито-цементитную смесь происходит при нагреве закаленных сталей и связано с диффузией углерода.

В зависимости от состава сплава и температуры образования кристаллы мартенсита имеют различную морфологию и структуру.

Пластинчатый (игольчатый) мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях с низкими значениями температур М_Н и М_К. Кристаллы мартенсита представляют собой широкие пластины, в плоскости шлифа они имеют вид игл (рис. 5.9, а), содержат большое число микродвойников, образующих зоны повышенной травимости (мидрибы).

Пакетный (реечный) мартенсит характерен для низко- и среднеуглеродистых, а также конструкционных легированных сталей. Тонкие параллельные пластины мартенсита, присоединенные одна к другой и разделенные малоугловыми границами, образуют пакет. Толщина пластин мартенсита колеблется от 0,2 до 2,2 мкм, плотность дислокаций – 10¹⁰–10¹² см^-2. В легированных сталях внутри пакетов между пластинами мартенсита присутствуют прослойки остаточного аустенита (рис. 5.9, б).

4. Промежуточное превращение аустенита в бейнит (по имени американского ученого Бейна, впервые исследовавшего изотермические превращения аустенита.). При температурах ниже 550 °С атомы углерода обладают достаточной подвижностью. В переохлажденном зерне аустенита происходит перераспределение атомов углерода. Участки аустенита, обогащенные углеродом, превращаются в цементит. Вследствие замедления диффузионных процессов состав цементита, по-видимому отличается от Fe₃C и представляет промежуточные соединения Fe_xC. Участки аустенита, обедненные углеродом (для них температура начала мартенситного превращения М_Н лежит выше реальной температуры переохлажденного аустенита) превращаются в низкоуглеродистый мартенсит (0,1–0,2 % углерода).

Структура, образующаяся при изотермическом превращении аустенита (интервал превращения – 300–500 °С), состоит из цементита и низкоуглеродистого мартенсита и называется бейнит (см. рис. 5.3).

Отжиг стали

Отжиг – это нагрев стали выше температуры фазового превращения с последующим медленным охлаждением (вместе с печью).

Отжиг является разупрочняющей термической обработкой. Режим назначают в соответствии с диаграммами состояния и изотермического распада аустенита. Скорость нагрева тем выше, чем меньше легированность стали, однороднее структура, проще конфигурация детали. Оптимальное время нагрева – 1 мин на 1 мм сечения детали, время выдержки – 20 % от времени нагрева. Среда нагревав печи оказывает на сталь различное действие: окисляющее (О₂, СО₂, Н₂О); восстанавливающее (СО, СН₄); обезуглероживающее(О₂, Н₂); науглероживающее (СО, СН₄); нейтральное (азот, инертные газы).

Наиболее распространен полный и неполный отжиг. Сталь нагревается до температуры на 30–50 °С выше линии GSK на рис. 5.2,выдерживается до полного завершения структурно-фазовых превращений и очень медленно (20–100 °С/ч) охлаждается в печи.

Полный отжиг проводится для доэвтектоидных сталей с целью исправления их структурыпринагреве до однофазного аустенитного состояния. При нагреве образуется мелкозернистый аустенит, после охлаждения сталь имеет мелкозернистую структуру.

Неполный отжиг проводится для заэвтектоидных сталейпри нагреве до двухфазного состояния. В структуре сохраняется цементит вторичный, который при отжиге приобретает сферическую форму (сфероидизация). Неполный отжиг обязателен для инструментальных сталей. Заэвтектоидную сталь нельзя подвергать полному отжигу (нагревать выше линии SE). При медленном охлаждении вокруг зерен перлита образуется цементитная сетка, которая охрупчивает сталь.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) применяется для устранения внутрикристаллической ликвации и выравнивания химического состава сплава. При нагреве растворяются избыточные карбиды. В основе всех процессов лежит диффузия. Температура нагрева зависит от температуры плавления: Т _н = 0,8· Т _пл (1000–1100 °С). Длительность от 8 до 20 часов. Для устранения крупнозернистости после гомогенизации производится обыкновенный отжиг, или нормализация. Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат из средне- и высокоуглеродистых легированных сталей с целью улучшения обрабатываемости резанием.

Циклический (маятниковый) отжиг применяют, если после неполного отжига цементит остается пластинчатым. После нагрева выше температуры А_{С 1} следует охлаждение до 680 °С, затем снова нагрев до 750–760 °С и медленное охлаждение. В результате отжига получают зернистый цементит.

Рекристаллизационный отжиг применяется для снятия наклепа после холодной пластической деформации. Температура нагрева выбирается на 150–250 °С выше температуры рекристаллизации. Продолжительность зависит от габаритов изделия. Рекристаллизационный отжиг углеродистой стали производится при нагреве в пределах 600–700 °С.

Отжиг для снятия напряжений, возникающих в неравномерно охлаждающихся отливках и поковках, в сварных соединениях, в деталях после обработки резанием. Температура нагрева (160–700 °С) выбирается в зависимости от вида предыдущей обработки и находится в широком диапазоне. Продолжительность зависит от габаритов изделия.

Нормализация – разновидность отжига, при котором сталь нагревают до аустенитного состояния на 30–50 °С выше линии GSE с охлаждением на воздухе. Твердость и прочность после нормализации несколько выше, чем после отжига. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. Для среднеуглеродистых сталей нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки с высоким отпуском. При такой термообработке изделие меньше подвергается короблению, исключаются закалочные трещины.

Закалка и отпуск

Закалка заключается в нагреве стали выше температуры фазового превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением (со скоростью больше критической).

Конструкционные и инструментальные стали подвергают закалке для достижения наибольшей твердости и прочности. Основные параметры при закалке – температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства: на 1 мм сечения в электрической печи затрачивается 1–1,5 мин, в пламенной печи – 1мин, в соляной ванне – 0,5 мин.

Закалка из однофазного состояния (полная закалка)с нагревом на 30–50 °С выше критической температуры А _С3 (линия GS на рис. 5.1) применяется для доэвтектоидных сталей. Изменение структуры стали:

.

Закалка из двухфазного состояния (неполная закалка)с нагревом на 30–50 °С выше критической температуры А ₁(линия SK на рис. 5.1) применяется для заэвтектоидных сталей, которые предварительно подвергают отжигу для сфероидизации цементита. Карбиды округлой формы не вызывают снижения вязкости. Изменение структуры стали:

.

После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента.

Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, поскольку в структуре остается мягкий феррит:

.

Полная закалка заэвтектоидных сталей недопустима, поскольку в структуре остается много остаточного аустенита:

.

Скорость охлаждения при закалке определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали. Режим охлаждения должен исключить появление закалочных напряжений, которые приводят к короблению и растрескиванию деталей сложной формы.

Оптимальный режим: максимальная скорость охлаждения в интервале температур А₁–M_Н для предотвращения распада переохлажденного аустенита в области перлитного превращения; минимальная – в интервале температур мартенситного превращения M_Н–M_К с целью снижения термических напряжений. Охлаждающие среды: вода, технические масла, растворы солей и растворы полимеров, расплавы металлов и щелочей. Для легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита используют минеральное масло (нефтяное), обеспечивающее небольшую скорость охлаждения, достаточную для мартенситного превращения.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке. Закаливаемость определяется содержанием углерода; при содержании менее0,2 % С степень упрочнения стали невелика.

Прокаливаемость – способность стали получать закалку на определенную глубину. Глубина закаленного слоя – расстояние от поверхности до середины слоя, в структуре которого имеются одинаковые объемы мартенсита и троостита. Чем больше легирующих элементов содержится в стали, тем меньше критическая скорость охлаждения и выше прокаливаемость.

Обработка стали холодом. Высокоуглеродистые и легированные стали имеют температуру окончания мартенситного превращения M_К значительно ниже 0 °С. После закалки до комнатной температуры в стали сохраняется остаточный аустенит, снижающий твердость. Для его устранения проводят охлаждение при низких температурах (впервые предложил А.П. Гуляев в 1937 г.). Обычно используют сухой лед. Обработку холодом проводят сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Прирост твердости – 1–4 HRC. Обработку холодом проводят на деталях шарикоподшипников, точных механизмов, измерительных инструментов.

Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже критических с последующим охлаждением, обычно на воздухе. Отпуск является заключительной термической операцией. Закаленную сталь отпускают с целью получения требуемых эксплуатационных свойств детали и уменьшения внутренних напряжений. Температуру выбирают, исходя из нужного уровня вязкости, пластичности и твердости стали.

При низком отпуске (150–200 °С) из мартенсита выделяется часть углерода. Число ковалентных Fe–С–Fe-связей уменьшается. Освобождающийся углерод не сразу образует стабильный карбид железа Fe₃C. Сначала появляется ε-карбид с ГПУ решеткой (Fe₂C), который имеет когерентную границу с мартенситом. При 200–300 °С из ε-карбида образуются пластинки карбидов Fe₃C размером 80×200 нм и толщиной несколько атомных диаметров с когерентными или полукогерентными границами. Наблюдается снижение тетрагональности решетки и внутренних напряжений. Структура после низкого отпуска представляет малоуглеродистый мартенсит и очень мелкие карбидные частицы – отпущенный мартенсит. Низкому отпуску подвергают инструментальные стали, детали после поверхностной закалки и цементации.

Средний отпуск проводится при температурах 300–450 °С. При этом из мартенсита уже выделяется весь избыточный углерод с образованием цементитных частиц. Пластинки цементита растут, ширина увеличивается до 200–400 нм, длина – более 1 мкм, границы становятся некогерентными. Тетрагональные искажения кристаллической решетки железа снимаются, она становится кубической. Мартенсит превращается в феррито-цементитную смесь с очень мелкими игольчатыми частицами цементита, которая называется трооститом отпуска и сочетает высокую упругость и твердость 40–45 HRC. Средний отпуск используется для изделий типа пружин, рессор, торсионов.

Высокий отпуск проводится при 500–650 °С. Скорость диффузионных процессов возрастает, при распаде мартенсита образуется феррито-цементитная смесь с более крупными, сферической формы, зернами цементита. Наблюдается растворение мелких и рост крупных карбидных частиц. Плотность дислокаций снижается до 10⁸–10⁹ см^–2, устраняются остаточные внутренние напряжения. Структура называется сорбит отпуска; она сочетает высокую пластичность и ударную вязкость при достаточной твердости. Используется высокий отпуск для деталей машин, испытывающих ударные и знакопеременные нагрузки. Закалка с высоким отпуском называется термическим улучшением стали.

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: