Особенности мартенситного превращения

Основной целью закалки является получение высокой твердости, упрочнение. Закалкой стали, называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до температур, превышающих температуру фазовых превращений, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении со скоростью, превышавшей критическую – минимальную скорость охлаждения, обеспечивающую получение неравновесной структуры мартенсита (рис.1).

Рис.1 Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита доэвтектоидной стали (при непрерывном охлаждении более строгим является использование термокинетической диаграммы)

Рис.2. Элементарная ячейка кристаллической решетки мартенсита (показаны все возможные положения атомов С)

В основе закалки лежит аустенито-мартенситное превращение, заключающееся в перестройке сдвиговым путем гранецентрированной кубической (ГЦК) решетки в объемноцентрированную тетрагональную (ОЦТ) решетку мартенсита (рис.2).

Поэтому этот вид термической обработки – закалка на мартенсит является закалкой с полиморфным превращением. Мартенситное превращение является бездиффузионным. Содержание углерода в мартенсите такое же, как и в исходном аустените. Поэтому мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в -железе. Степень тетратональности мартенсита прямо пропорциональна количеству растворенного углерода. Растворимость углерода в феррите – ограниченном твердом растворе внедрения углерода в α-железе, имеющем объемноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку, - при нормальной (комнатной) температуре составляет 0,0067%С.

Закалка с температур нагрева однофазной аустенитной области диаграммы состояния железо-цементит (т.е. выше линии GSE), обеспечивающая при закритическихскоростях охлаждения полное превращение аустенита в мартенсит, называется полной. В свою очередь неполной называется закалка, при которой нагрев осуществляется в двухфазную область, т.е. выше линии PSK и ниже линии GSE. В этом случае после закалки формируется дуальная феррито-мартенситная структура в доэвтектоидной стали и мартенсито-цементитная структура в заэвтектоиднои стали. На практике применяютполную закалку для доэвтектоидной стали (нагрев выше линии GS - критической точки А_с3) и неполную для, заэвтектоидной стали (нагрев выше линии PSK- критической точки А_с1).

Твердость мартенсита зависит от содержания углерода в стали, возрастая от HRC 35 до HRC 65 при изменении содержания углерода от 0,1 до 0,8%С. Природа упрочнения стали при закалке обусловлена затруднением скольжения дислокаций в мартенсите в связи с наличием атомов углерода в решетке, с повышенной плотностью дефектов (двойниковых прослоек и дислокаций), с образованием на дислокациях атмосфер из атомов углерода, с выделением из мартенсита в связи с его распадом в процессе закалочного охлаждения дисперсных частиц карбидной фазы.

Из всех структурных составляющих стали мартенсит имеет наибольший, а аустенит – наименьший удельный объем. Поэтому по мере образования мартенсита аустенит, испытывая всестороннее сжатие, не в состоянии превратиться в мартенсит, в результате чего в структуре стали, наряду с мартенситом всегда присутствует незначительное количество остаточного аустенита.

Количество остаточного аустенита может быть значительным, если содержание углерода в стали превышает ~0,6%С. Это обусловлено зависимостью температур начала М_н и конца М_к мартенситного превращения от содержания углерода в стали. С увеличением содержания углерода в стали происходит снижение температур М_н и М_к, в результате чего последняя, начиная с 0,6%С, находится в области отрицательных температур. Следствием этого является увеличение количества остаточного аустенита в закаленной стали.

В случае если скорость охлаждения меньше критической, и кривые охлаждения пересекают линии начала и конца диффузионного распада переохлажденного аустенита (так называемые С-образные кривые), то продуктами превращения являются пластинчатые феррито-цементитные смеси различной степени дисперсности, условно называемые перлитом, сорбитом и трооститом. Качественно проанализировать диффузионное превращение аустенита при различных скоростях охлаждения стали можно путем наложения кривых охлаждения на диаграмму его изотермического распада (см. рис.1). С увеличением скорости охлаждения превращение происходит при более низкой температуре, уменьшается межпластинчатое расстояние (суммарный размер толщин феррита и цементита), возрастает твердость.

При охлаждении со скоростью V_l, равной ~1 град/мин, аустенит превращается в перлит - эвтектоидную феррито-цементитную смесь смежпластинчатым расстоянием более 0,40 мкм, имеющую твердость ~HRC 10.

В случае охлаждения со скоростью V₂, равной ~60 град/мин, из аустенита образуется сорбит - эвтектоидная феррито-цементитная смесь с межпластинчатым расстоянием ~0,4-0,2 мкм, имеющая твердость

~HRC 25.

При скорости охлаждения V₃, равной ~300 град/мин, продуктом превращения аустенита является троостит - эвтектоидная феррито-цементитная смесь с межпластинчатым расстоянием ~0,2-0,1 мкм, имеющая твердость ~HRC 40. Поскольку предельное разрешающее расстояние светового микроскопа составляет ~0,2 мкм, то двухфазное строение троостита выявляется под электронным микроскопом.

В случае если кривая охлаждения (V₄) пересекает линии начала диффузионного и начала бездиффузионного превращений переохлажденного аустенита, то образуется двухфазная мартенсито-трооститная структура.