Назначение, виды отпусков сплавов, закаленных на мартенсит, структура и свойства, которые формируются

Рассмотрение закономерностей фазовых и структурных превращений в закаленном на мартенсит металле целесообразно начать для принципиального понимания с углеродистой стали, для исключения наложения тех процессов, которые вносит легирование металла.

Изучение влияния отпуска на свойства закаленных металлов начнем с исследования дилатометрической кривой углеродистой стали. Дилатометрия - раздел физики, изучающий тепловое изменение объемных размеров металлического образца при нагреве или охлаждении, а в данном случае на эти изменения накладываются еще фазовые и структурные превращения, происходящие в мартенсите.

Дилатометрические исследования углеродистой закаленной стали при последующем нагреве показали (впервые это было получено Г. Ганеманом и Л. Трегером) наличие трех температурных интервалов (рис. 1.3), в которых происходит наиболее значимое изменение объема металла:

· уменьшение длины образцов при нагреве в интервале температур ~70-150⁰С;

· увеличение длины образцов в интервале температур ~150-300⁰С;

· уменьшение длины образца при нагреве в интервале ~300-350⁰С.

Рисунок 1.3 - Дилатометрическая кривая отпуска закаленной углеродистой стали с 1,2%С (Белоус М.В. и др.)

В соответствии с этими изменениями объемных размеров закаленного металла при нагреве, превращения при отпуске и были названы соответствующим образом - первое, второе и третье превращения ( эти понятия условные, но по традиции используются в литературе). Существует еще и четвертое превращение при отпуске, которое дилатометрически не фиксируется, а подтверждается рентгеноструктурными методами, световой, электронной микроскопии и др. методами.

Под первым превращением мартенсита ( отпуск при ~70-150⁰С приводит к укорачиванию образцов) понимается 1-я стадия распада мартенсита - выделение углерода из пересыщенного a-твердого раствора путем двухфазного распада с образованием дисперсных выделений карбидной фазы.

Под двухфазным распадом твердого раствора понимается наличие на этой стадии отпуска в стали одновременно два твердых раствора углерода в a-железе:

· не испытавший распада твердый раствор с исходной концентрацией углерода;

· обедненный углеродом твердый раствор за счет выделения частиц карбидной фазы.

Двухфазный распад мартенсита развивается в результате выделения углерода и возникновения новых частиц карбидов в участках мартенсита с исходной концентрацией углерода (а не роста ранее образовавшихся). Выделение внедренных атомов углерода и азота из решетки железа при отпуске мартенсита приводит к уменьшению степени искажения кристаллической решетки – уменьшение степени ее тетрагональности (рис. 1.4). Именно этот процесс и приводит к укорачиванию дилатометрических образцов при отпуске.

Рисунок 1.4 - Тетрагонально искаженная элементарная ячейка объемно-центрированного куба (а) и степень тетрагональности решетки (с/а) мартенсита в зависимости от содержания углерода (б)

Отечественными учеными Курдюмовым Г. В., Штейнбергом С. С., Арбузовым М. П. и др. было впервые установлено, что в области температур первого превращения мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска, концентрация углерода в котором значительно меньше по сравнению с исходным закаленным состоянием. При этом выделившийся углерод образует дисперсную метастабильную карбидную фазу (e-карбид, Fe_2,4C), температура образования которой в углеродистых сталях находится в интервале температур до ≈220⁰С, характерном для 1-й и 2-й стадий распада мартенсита закалки.

На этой стадии отпуска мартенсита для таких сталей происходит уменьшение уровня остаточных напряжений, повышается относительное удлинение, практически при неизменной твердости, прочности и вязкости металла.

При этом надо отметить, что в соответствии с информацией, изложенной в старых учебных пособиях, в сталях с содержанием углерода менее 0,2% стадии образования низкотемпературного промежуточного карбида (e-карбида) нет. Результаты исследований последних 5-7 лет показывают, что эта стадия присуща и для сталей с концентрацией углерода менее 0,2%.

Второе превращение мартенсита при отпуске (~150-300⁰С, происходит удлинение образцов) связывают с распадом остаточного аустенита (либо в мартенсит - при отпуске до температур ~180⁰С, либо в бейнит - при температурах выше 180⁰С), при этом, чем больше углерода в стали (увеличивается количество А_ост, т.к. снижается температура точек М_н и М_к), тем больше эффект увеличения образца из-за распада А_ост. Высокая скорость нагрева металла при отпуске либо повышенная степень легирования стали может сдвигать температуру распада А_ост до 400-600⁰С. Распад аустенита остаточного сопровождается также увеличением намагниченности металла, понижением его электросопротивления и значительным тепловым эффектом. На этой стадии отпуска происходит также дальнейший распад мартенсита. Структура стали при температурах ниже 300⁰С называется отпущенным мартенситом (отличается от мартенсита закалки практически полным отсутствием тетрагональности (рис. 1.4) и значительно большей травимостью металла из-за выделения карбидной фазы и уменьшения уровня напряжений). Легирующие элементы (никель, молибден, ванадий, медь) повышают температуру распада А_ост незначительно, а кремний, хром, марганец существенно повышают температуру его распада.

В сталях с концентрацией углерода свыше 0,2% углерода при температурах отпуска до ~200-220⁰С выделяющийся из мартенсита углерод образует метастабильный карбид (e), при дальнейшем повышении температуры отпуска происходит растворение частиц e-карбида, а при температурах отпуска выше ~260⁰С в углеродистых сталях происходит образование стабильного карбида – цементита (Fe₃C) и рост выделившихся карбидных частиц (в условиях когерентных или полукогерентных границ с матрицей). Легирование сталей (например, кремнием) приводит к существенному повышению температуры растворения e-карбида.

После отпуска при температурах 150-300⁰С происходит снижение прочностных характеристик и уровня напряжений в металле, повышаются значения характеристик пластичности при практически неизменной вязкости металла (см. рис 1.2). При определенных условиях в интервале температур отпуска, характерных для образования цементита (легированного цементита) возможно замедление процесса снижения (или даже некоторое увеличение) твердости и прочностных характеристик.

Третье превращение в закаленной стали при отпуске (~300-400⁰С, приводит к уменьшению длины образца) связывают с растворением или переходом низкотемпературного метастабильного карбида в цементит. В этом интервале температур происходит также окончательное выделение углерода из a- твердого раствора (как и на предыдущих стадиях распада мартенсита), продолжается образование стабильного карбида (цементита или легированного цементита) и при повышении температуры происходит частичный разрыв когерентной связи частиц карбидов (Fe₃C) с матрицей. При достижении верхнего интервала температур отпуска те частицы, которые стали уже когерентными, начинают коагулировать. Интенсивный рост когерентных частиц цементита начинается с температур отпуска ~400-450⁰С. После отпуска 300-450⁰С (выше температуры М_н) в закаленной углеродистой стали получают сильно травящуюся дисперсную структуру, называемую трооститом отпуска. В области температур отпуска ~360-400⁰С происходит повышение характеристик пластичности, прочности – пределов упругости, пропорциональности, текучести в результате закрепления дислокаций дисперсными частицами цементита (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 - Зависимость значений предела упругости и твердости закаленных углеродистых сталей от температуры последующего отпуска. Дисперсионное твердение обеспечивается за счет выделения частиц цементита и легированного цементита (И. Артингер)

Твердость при этом может оставаться примерно на одном уровне или даже повышаться (этот эффект называется дисперсионным твердением). Уровень микронапряжений в металле продолжает уменьшаться.

Четвертое превращение при отпуске закаленной стали (~500-700⁰С) связывают с процессами полной потери когерентности частиц цементита с матрицей, интенсивной коагуляцией карбидов и рекристаллизацией a-фазы. После отпуска ~450-650⁰С мартенсит закалки распадается на сорбит отпуска. При температурах отпуска ~600⁰С и выше частицы цементита приобретают форму, близкую к сферической.

Известно, что существенное влияние на процесс коагуляции частиц имеет исходное структурное состояние сплавов. Скорость процесса возрастает с увеличением степени дисперсности частиц, в связи с увеличением активной поверхностности карбидов. Например, скорость коагуляции максимальна для дисперсных частиц размером 1-10х10^-6мм. Изменение дисперсности частиц от 1х10^-6мм до 20х10^-6мм занимает около 2-х секунд. Сталь с различной начальной структурой (мартенсит, троостит, перлит) обладает различной способностью к коагуляции, наибольшей для мартенсита, наименьшей для перлита. А структура литой углеродистой стали с ~0,3% С сфероидизируется в 10 раз медленнее, чем нормализованная. Таким образом, равновесное состояние сталей и сплавов при высоком отпуске достигается тем скорее, чем менее равновесным является исходное состояние металла. Содержание углерода в стали также оказывает влияние на скорость коагуляции и размер частиц вторичной фазы. При повышении концентрации углерода в сталях процесс коагуляции протекает быстрее, чем в аналогичных условиях в стали с меньшим содержанием углерода и количество крупных частиц будет в высокоуглеродистой стали больше, чем в стали с меньшим содержанием углерода.

В легированных сталях, в которых концентрация карбидообразующих легирующих элементов достаточна для образования специальных карбидов, с температур ~500⁰С и выше происходит образование специальных карбидов. Соответственно стадия дисперсионного твердения (для легированных сталей этот процесс называется вторичное твердение – рис. 1.6) сдвигается в сторону повышенных температур по сравнению с углеродистыми сталями (сравнить рис. 1.5 и 1.6). Этому предшествует стадия растворения цементита, возможен вариант перестройки цементита в специальный карбид.

Рисунок 1.6 - Влияние температуры и продолжительности отпуска на предел текучести стали 4Х5МФС. Вторичное твердение при температурах высокого отпуска обеспечивается выделением специальных карбидов (И. Артингер)

Практически на всех стадиях отпуска мартенсита в структуре происходят процессы возврата и рекристаллизации, но видимую перестройку тонкой структуры (дислокационной) под электронным микроскопом можно наблюдать с температур отпуска примерно 400⁰С и выше. Под световым микроскопом изменения микроструктуры хорошо различаются после отпуска ~500⁰С и выше. А после отпуска ~600⁰С микроструктура закаленной углеродистой стали теряет характерные морфологические признаки мартенсита (т.е. игольчатость) и под световым микроскопом видны ферритные поля с большей или меньшей плотностью скоагулированных частиц цементита.

Дата добавления: 2014-10-23