2.1.3 Мартенситное превращение (бездиффузионная перекристаллизация)

Если резко переохладить аустенит до температуры ниже начала мартенситного превращения М_н = 250 – 200°С произойдет бездиффузионное полиморфное γ-Fе – α-Fe превращение (перестройка решетки гамма-железа в альфа-железо), в результате которого в кристаллической решётке образовавшегося мартенсита углерода будет столько, сколько содержалось в аустените стали до начала превращения, так как оно происходит при температуре, при которой диффузия атомов углерода, железа и других элементов не возможна. Максимальная же растворимость углерода в равновесном альфа-железе обычно не превышает 0,02 %.

Следовательно, мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе. Он метастабилен и при нагреве его выше температуры точки Мн распадается на ферритоцементитную смесь.

И збыточное количество углерода искажает решетку альфа-железа и она становится тетрагональной. Этим объясняется увеличение твердости стали. Степень искаженности (тетрагональности) и твердость тем выше, чем больше углерода в стали (Рис. 2.4).

Рис. 2.4 Тетрагональная кристаллическая решетка и микроструктура мартенсита (увеличение 500)

Для того чтобы образовались кристаллы мартенсита, необходимо непрерывное понижение температуры. Таким образом, весь процесс образования мартенсита из аустенита протекает в интервале температуры от точки М_н до М_к (конца мартенситного превращения).

Значения температуры точек М_н и М_к зависят только от содержания углерода в стали. С повышением содержания углерода обе точки мартенситного превращения понижаются. Точка М_к при содержании углерода более 0,6 % находится в области отрицательных температур. Такие стали следует охлаждать до температуры значительно ниже комнатной (обработка холодом).

В структуре сталей, содержащих более 0,6 % углерода и охлажденных только до комнатной температуры, будет сохраняться аустенит. Такой аустенит называется остаточным.

Мартенсит по сравнению с другими структурами стали и особенно с аустенитом имеет наибольший удельный объем. Это одна из основных причин возникновения при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин.

Мартенсит – основная структура закаленной стали, его твердость – 62 – 64 HRC (600 – 660 НВ).

2.1.4. Промежуточное (бейнитное) превращение

Промежуточное (бейнитное) превращение происходит между перлитным и мартенситным превращениями в интервале температуры 550°С – М_н при изотермической выдержке переохлажденного аустенита. Оно сочетает в себе диффузионное перераспределение углерода в аустените между продуктами его распада и бездиффузионное (сдвиговое) мартенситное превращение при перестройке кристаллической решетки γ-Fе→α-Fе.

Б ейнит (игольчатый троостит) – смесь неравновесного высоуглеродистого феррита и цементита (Рис. 2.5). Его твердость ≈ 50 HRC.

Рис. 2.5. Микроструктура бейнита (электронный микроскоп, х 15000)

Бейнит, образующийся при более низкой температуре (близкой к точке М_н), по сравнению с сорбитом и трооститом имеет более высокую твердость и прочность при сохранении пластичности.

2.1.5. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении

Термическая обработка стали обычно проводится не по изотермическому процессу (при постоянной температуре), а при непрерывном охлаждении после нагрева. Для рассмотрения превращения аустенита при непрерывном охлаждении строят кривые охлаждения на С-образной диаграмме (рис. 2.6).

Р ис .2.6. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении (сталь 0,8 % С)

При малой скорости охлаждения (V₁) (вместе с печью ≈ 100°С/ч) точка A₁ лежит около 700°С (степень переохлаждения мала) и образуется ферритоцементитная смесь – перлит. С увеличением скорости охлаждения (V₂ – на спокойном воздухе – до 200°С/мин) образуется дисперсная ферритоцементитная смесь – сорбит. При охлаждении в масле со скоростью V₃ – до 500°С/с ферритоцементитная смесь становится еще мельче (высокодисперсной) – тростит, т.е. образуются те же структуры, что и при изотермическом процессе. Степень переохлаждения увеличивается, и точка превращения A₁ смещается в область более низкой температуры.

Скорость охлаждения, равная V_кp (касательная к кривой начала распада не пересекает кривые времени начала и конца перлитного превращения диаграммы), соответствует критической скорости закалки, т. е. минимальной скорости охлаждения, при которой образуется мартенсит (для углеродистых сталей V_кp превышает 1000°С/с и может быть реализована только при охлаждении в воде либо в водных растворах.

Охлаждение со скоростью выше критической (V₄ > V_кp) при закалке на мартенсит применяют для того, чтобы быстро пройти участок наименьшей устойчивости аустенита (550 – 500°С) и не допустить его распада на ферритоцементитную смесь.

При скорости охлаждения меньше критической аустенит частично распадается на феррито-цементитную смесь, а часть его переохлаждается до точки ниже М_н. В результате образуется структура, состоящая из троостита и мартенсита.

Значение критической скорости закалки определяет выбор охлаждающей среды и влияет на прокаливаемость стали.