Превращение при отпуске закаленной стали.

Мартенсит и остаточный аустенит, составляющие типичную структуру закаленной стали, являются неравновесными фазами. При нагреве они переходят в более устойчивое состояние, распадаясь на феррито-цементитную смесь. Поскольку этот распад носит диффузионный характер, особенности его протекания будут определяться температурой нагрева. Можно выделить 4 типа превращений, каждый из которых протекает в определенном интервале температур.

Первое превращение заключается в распаде мартенсита. Оно протекает в две стадии. На первой стадии, при температурах до 150°С, происходит выделение из α - твердого раствора (мартенсита) углерода в виде частиц ε - карбидов с гексагональной решеткой (Fе_хС - вероятно Fе₂С). Процесс зарождения карбидов начинается в областях с повышенной свободной энергией: в районах дефектов строения, где возможно скопление атомов углерода и на границах кристаллов мартенсита. Поставщиком углерода при образовании карбидов является α - твердый раствор, т.е. мартенсит. Поэтому концентрация углерода в участках мартенсита, окружающих частицы карбидов, резко уменьшается, в то время как в более удаленных участках она сохраняется исходной.

Таким образом, в результате низкотемпературного отпуска в стали присутствуют, кроме выделившихся ε-карбидов, два типа мартенсита - с низкой и более высокой концентрацией углерода. Образование ε - карбидов вместо более стабильного цементита Fе₃С обусловлено тем, что сопряжение решеток α -раствора и ε - карбида лучше. Они когерентно связаны между собой. Поэтому образование критического зародыша ε - карбида более вероятно по сравнению с цементитом Fе₃С.

На этой стадии отпуска аустенит в структуре сохраняется и изменений не претерпевает. На второй стадии распада мартенсита, протекающей при 150-350°С, в условиях возросшей подвижности атомов углерода, продолжается выделение карбидов. Одновременно происходит их укрупнение и превращение ε - карбидов в цементит. В конечном счете при температуре около 350°С содержание углерода в α - твердом растворе становится близким к равновесному, а степень тетрагональности - к единице. Структуру, которую получают в результате отпуска ниже 350°С, называют мартенситом отпуска. От мартенсита закалки отпущенный мартенсит отличается меньшей концентрацией в нем углерода, включением дисперсных ε - карбидов, когерентно связанных с решеткой мартенсита и имеющих форму тонких пластинок. В результате распада мартенсита при отпуске объем уменьшается.

Второе превращение при отпуске связано с распадом остаточного аустенита. Температурный интервал этого превращения сильно зависит от марки термообрабатываемой стали и колеблется в широких пределах: от 200-300°С при отпуске высокоуглеродистых и некоторых легированных среднеуглеродистых сталей до 500-600°С для высоколегированных сталей. Остаточный аутенит превращается в нижний бейнит, т.е. структуру, состоящую из низкоуглеродистого мартенсита и частиц карбидов. Эта структура аналогична структуре, образующейся при тех же температурах при отпуске закаленного мартенсита.

Третье превращение протекает при 300-450°С. На этой стадии завершается выделение углерода из мартенсита, и тетрагональная структура переходит в кубическую - феррит. Кроме того, завершается карбидное превращение, приводящее к полному переходу ε - Fe_xC в цементит Fe₃С. Когерентность решеток феррита и карбида нарушается и происходит обособление фаз. Полученная в результате отпуска при 300-450°С структура представляет высокодисперсную феррито-цементитную смесь, по свойствам соответствующую трооститу. Эту структуру называют трооститом отпуска.

При нагреве выше 450°С интенсифицируются процессы сфероидизации и коагуляции карбидов. Это четвертое превращение при отпуске стали. Очень тонкая феррито-цементитная структура - троостит отпуска при 500-600°С превращается в более грубую- сорбит отпуска. Форма ферритных зерен также становится равноосной. При температурах, близких к критической точке Ас₁, сорбит отпуска превращается в еще более грубую структуру, получившую название перлит отпуска или зернистый перлит (зернистый цементит).

Таким образом, изменяя температуру отпуска закаленной стали, можно получить различные структуры - от мартенсита до перлита и соответствующие свойства. Образование зернистых структур способствует повышению предела текучести, ударной вязкости и улучшению других свойств стали. Во время отпуска происходит снятие внутренних напряжений.