Мартенситное превращение (бездиффузионная перекристаллизация)

 

Если переохладить аустенит до температуры ниже начала мартенситного превращения М_н = 250 – 200 °С, произойдет бездиффузионное полиморфное превращение (γ-Fе – α-Fe), в результате которого в кристаллической решетке 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
невозможна. 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 М_н распадается на ферритоцементитную смесь.

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 в стали углерода (рис. 2.4).

	Атомы железа
	Атомы углерода

а б

Рис. 2.4. Тетрагональная кристаллическая решетка (а) и микроструктура (б)
мартенсита (увеличение − 500-кратное)

 

Так как мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные, и образовавшиеся кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы, сдвиг атомов образует игольчатый микрорельеф на поверхности металлического шлифа.

 

Поэтому мартенсит называют мелкоигольчатым, скрытокристаллическим, реечным и т. д. в зависимости от исходной структуры аустенита.

Для того чтобы образовались кристаллы мартенсита, необходимо не-прерывное понижение температуры. Таким образом, весь процесс образования мартенсита из аустенита протекает в интервале температуры от точки М_н до точки 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. Такую сталь следует охлаж-дать до температуры значительно ниже комнатной (обработка холодом). В структуре стали, содержащей более 0,6 % углерода и охлажденной только до комнатной температуры, будет сохраняться аустенит. Такой аустенит называется остаточным.

Мартенсит по сравнению с аустенитом имеет наибольший удельный объем. Это одна из основных причин возникновения при закалке значительных внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин. Мартенсит – основная структура закаленной стали, его твердость – 62 – 64 HRC.

 

2.1.4. Промежуточное (бейнитное) превращение

 

Промежуточное (бейнитное) превращение происходит между перлитным и мартенситным превращениями в интервале температуры 550 °С – М_н. Это превращение 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. Бейнит (игольчатый троос-тит) – смесь неравновесного высокоуглеродистого феррита и цементита (рис. 2.5). Его твердость ≈ 50 HRC.

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).

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) – троостит, т. е. образуются те же структуры, что и при изотермическом процессе. Степень переохлаждения увеличивается, и точка превращения A₁ смещается в область более низкой температуры.

 

Время

Мк

А→П

V4 – мартенсит

Vкр

V3 – троостит

V2 – сорбит

V1 – перлит

М + Аост

Мн

Аустенит переохлажденный

t, °С

А1

Аустенит устойчивый

Рис. 2.6. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении
(сталь − 0,8 % С)

 

 

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 углеродистой стали 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 ферритоцементитную 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.

 

Порядок выполнения работы

1) Изучить особенности изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали, превращение аустенита при непрерывном охлаждении, влияние скорости охлаждения на структуру и свойства углеродистой стали.

2) Провести исследования на образцах, прошедших нагрев до аустенитного состояния и охлажденных с печью, на воздухе, в воде и масле.

3) После охлаждения зачистить образцы и замерить их твердость по Рок-веллу. По результатам измерения твердости определить (ориентировочно) структуру стали. Провести обсуждение результатов эксперимента.

 

Содержание отчета

1) Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали, на которой должны быть указаны (вектором) условия охлаждения для получения перлита, сорбита, троостита, бейнита и мертенсита.

2) Описание условий образования структуры (перлита, сорбита и т. д.) с указанием температуры переохлаждения аустенита для получения данной структуры.

3) Заполненная таблица (приведена ниже) с результатами измерения твердости стали.

4) График зависимости твердости стали от скорости (указать условия) охлаждения из аустенитного состояния в координатах «твердость – скорость охлаждения (охладитель)».

5) Выводы.

 

Твердость продуктов превращения переохлажденного аустенита

Твердость	Структура тру к т У Р
перлит	сорбит	троостит	бейнит	мартенсит
НВ HRC

Вопросы для самоконтроля

1) Какие области и линии имеются на диаграмме изотермического превращения аустенита?

2) В чем заключается механизм перлитного превращения? Его особенности.

3) Какие факторы влияют на образование различных структур (перлита, сорбита, троостита, мартенсита) при непрерывном охлаждении?

4) Чем перлит, сорбит и троостит отличаются друг от друга?

5) В чем заключается природа мартенситного превращения? Его особенности. Как обеспечить образование мартенситной структуры?

6) Что такое критическая скорость охлаждения и как она определяется?

7) В чем заключается природа промежуточного (бейнитного) превращения? Его особенности.

8) В чем заключаются особенности превращения аустенита при непрерывном охлаждении?

 

Лабораторная работа 3

ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

 

Цель работы: ознакомиться с двумя операциями термообработки –отжигом и нормализацией; изучить назначение, режимы и особенности проведения указанных операций, и устройство лабораторной нагревательной печи.