Термическая обработка. Превращения при непрерывном охлаждении аустенита. Превращения при отпуске

Лекция 2
Термическая обработка. Превращения при непрерывном охлаждении аустенита.
Превращения при отпуске.
Превращение переохлажденного аустенита можно осуществить в изотермических условиях, т.е. при постоянной температуре и при непрерывном охлаждении. Изотермическое превращение аустенита описывается диаграммами изотермического превращения и редко используется в
практике термической обработки сталей. Превращения аустенита при непрерывном охлаждении
описываются термокинетическими диаграммами.
Такие диаграммы строят в координатах температура – время на основе анализа серии кривых охлаждения, на которых отмечают температуры начала и конца перлитного и бейнитного
превращений. Термокинетические диаграммы имеют сложный вид, поэтому для упрощения в
данном учебном пособии будем рассматривать диаграмму изотермического превращения с наложенными на нее кривыми охлаждения (рис. 1).
Рис. 1. Наложение кривых охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита.
На диаграмме отражены все ее особенности:
- при малых скоростях охлаждения (ν1, ν2, ν3) в стали протекает только диффузионный распад аустенита с образованием феррито-цементитной смеси различной степени дисперсности (перлит, сорбит, троостит);
- при охлаждении со скоростью νкр – критической скорости закалки или большей (ν4) переохлажденный аустенит превращается в неравновесную фазу - мартенсит.
В зависимости от скоростей охлаждения превращение аустенита может быть диффузионным и бездиффузионным. Критерием превращения является критическая скорость охлаждения
VКР. Это наименьшая скорость охлаждения, при которой подавляется диффузия атомов углерода.
Превращения при отпуске.
Нагрев закаленных сталей до температур, не превышающих А1, называют отпуском. В результате закалки чаще всего получают структуру мартенсита с некоторым количеством остаточного аустенита. Процесс нагрева и выдержки закаленной стали сопровождается превращением мартенсита и остаточного аустенита. В результате этого превращения уменьшаются внутренние
напряжения и хрупкость, повышаются вязкость и пластичность.
Фазовые превращения при отпуске закаленной стали можно показать в виде схемы (рис. 2).
Рис. 2. Схема фазовых превращений при отпуске закаленной стали
При низкотемпературном отпуске (150-300 0С) из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц. Дисперсные кристаллы  -карбида
когерентны с решеткой мартенсита. В мартенсите остается около 0,2 % растворенного углерода.
Распад остаточного аустенита происходит по механизму бейнитного превращения: образуется
смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов. При температуре около
250 0С начинается превращение  -карбида в цементит; при этом когерентность решеток αтвердого раствора и карбида нарушается.
При среднем отпуске (350-400 0С) из мартенсита выделяется весь избыточный углерод с
образованием цементитных частиц. При этом тетрагональность решетки железа уменьшается, она
становится кубической. В результате вместо мартенсита остается феррит. Такая ферритоцементитная смесь называется трооститом отпуска, а процесс, приводящий к таким изменениям, среднетемпературным отпуском. При таком нагреве значительно уменьшаются внутренние
напряжения и снижается плотность дислокаций.
При более высоких нагревах (500 0С и выше) в углеродистых сталях происходят изменения
структуры, не связанные с фазовыми превращениями: изменяются форма, размер карбидов и
структура феррита. С повышением температуры происходит коагуляция – укрупнение частиц цементита. Форма кристаллов постепенно становится сферической – этот процесс назвали сфероидизацией.
Коагуляция и сфероидизация карбидов происходят с заметной скоростью, начиная с температуры 400 0С. Зерна феррита становятся крупными и их форма приближается к равноосной.
Феррито-карбидная смесь, которая образуется после отпуска при температуре 400-600 0С, называется сорбитом отпуска. При температуре, близкой к точке А1, образуется грубая ферритоцементитная смесь – зернистый перлит.
Влияние температуры отпуска на механические свойства стали с 0,4 % углерода показано в
табл. 1.
Таблица 1
Влияние температуры отпуска на механические свойства сталей
Температура
НRС
 е, МПа
 ,%
отпуска, 0С
Без отпуска
1400
60
3
200
1400
52
4
400
1080
35
11
600
700
12
22
При отпуске некоторых легированных сталей возможны негативные явления – отпускная
хрупкость. Это снижение ударной вязкости сталей, отпущенных при температуре 250 – 400 и 500
– 550 0С (рис. 3).
Первый вид отпуска называется необратимой хрупкостью (Ι рода), присущ практически
всем сталям и обусловлен неоднородным выделением карбидов из мартенсита. Повторный отпуск
при более высокой температуре (400-5000С) снимает хрупкость и сталь становится к ней не склонной даже при повторном нагреве при 250 – 400 0С. В связи с этим эта хрупкость получила название необратимой. Отпуск сталей, склонных к этому виду хрупкости при температурах 250 – 400
0
С, не назначается. Этот род хрупкости не зависит от скорости охлаждения после отпуска.
Рис. 3. Влияние температуры отпуска на ударную вязкость стали: Ι – зона необратимой отпускной хрупкости; ΙΙ - зона обратимой отпускной хрупкости
Второй вид отпускной хрупкости (ΙΙ рода) является обратимым. Проявляется он при медленном охлаждении легированной стали при температуре 500 – 550 0С. Данная хрупкость может
быть устранена повторным отпуском с большой скоростью охлаждения. В этом случае устраняется причина этой хрупкости – выделение карбидов по границам бывших аустенитных зерен. Устранение отпускной хрупкости легированных сталей возможно введением в них малых добавок молибдена (0,2 – 0,3 %) или вольфрама (0,5 – 0,7 %).