2.1.4. Мартенситное превращение

Мартенсит – основная структура закаленной стали, его твердость – 62 – 64 HRC (600 – 660 НВ). Минимальная скорость охлаждения, при которой образуется структура мартенсита, называется критической скоростью закалки.

В отличие от диффузионного перлитного превращения аустенито-мартенситное имеет бездиффузионный характер.

При резком переохлаждении аустенита до температуры начала мартенситного превращения М_н = 250 – 200°С происходит перестройка решетки гамма-железа в альфа-железо. Весь углерод, растворенный в аустените, остается в альфа-железе. Максимальная растворимость углерода в альфа-железе обычно не превышает 0,02 %. В образовавшемся мартенсите его будет столько, сколько содержалось в аустените стали до начала превращения. Следовательно, мартенсит –пересыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе.

Избыточное 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.

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.

2.1.5. Промежуточное (бейнитное) превращение

Промежуточное (бейнитное) превращение происходит между перлитным и мартенситным превращениями в области температуры 550°С – М_н при изотермической выдержке переохлажденного аустенита.

Бейнит (игольчатый троостит) – смесь высоуглеродистого феррита и цементита. Его твердость – 40 – 55 HRC.

Твердость бейнита возрастает с понижением температуры превращения. 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.

2.1.6. 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. 2.2).

При малой скорости охлаждения (V₁) точка A₁ лежит около 700°С (степень переохлаждения мала) и образуется ферритоцементитная смесь – перлит. С увеличением скорости охлаждения (V₂ и V₃) ферритоцементитная смесь становится мельче и образуются те же структуры, что и при изотермическом процессе: сорбит и троостит. Степень переохлаждения увеличивается, и точка превращения A₁ смещается в область более низких температур. При большей скорости охлаждения аустенит частично распадается на феррито-цементитную смесь (V₄ пересекает левую С-образную кривую), а часть его переохлаждается до точки М₄. В ре­зультате образуется структура, состоящая из троостита и мартенсита.

Скорость охлаждения, равная V_кp (касательная к кривой начала распада не пересекает диаграммы), соответствует критической скорости закалки, т. е. минимальной скорости охлаждения, при которой образуется мартенсит. Быстрое охлаждение при закалке на мартенсит применяют для того, чтобы с достаточной скоростью пройти участок наименьшей устойчивости аустенита (550 – 500°С) и он не начал распадаться на ферритоцементитную смесь. Значение критической скорости закалки определяет выбор охлаждающей среды и влияет на прокаливаемость стали [1, с. 243 – 271; 2, с. 187 – 203; 3, с. 114 – 125].