Исходная структура аустенита

Увеличение размера зерна (рис. 11) приводит к повышению устойчивости аустенита вследствие уменьшения суммарной протяженности границ зерна, где происходит зарождение новой фазы, а, следовательно, ‑ к снижению критической скорости закалки.

 

В зависимости от состава стали скорость охлаждения при закалке должна быть достаточной, чтобы предотвратить распад аустенита, а для легированных сталей – и возможность бейнитного превращения.

 

Однако быстрое охлаждение требуется не во всем интервале температур (от температуры нагрева до комнатной температуры), а только в пределах 650-400⁰С, т.е. в том интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив и быстрее всего превращается в феррито-цементитную смесь.

 

Выше 650⁰С скорость превращения аустенита мала, поэтому при закалке в этом интервале температур сталь можно охлаждать медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

 

Интервал 650-400⁰С должен быть пройден быстро.

 

В углеродистой стали ниже 400⁰С вновь начинается зона относительной устойчивости аустенита.

 

Наконец, в мартенситном интервале, начиная с 200-300⁰С, особенно желательно замедленное охлаждение, чтобы к значительным структурным напряжениям не прибавились термические напряжения, возникающие в результате быстрого охлаждения. Практически таких охлаждающих сред нет.

 

Механизм охлаждения стали в жидкости заключается в следующем:

- в первый момент охлаждения образуется тонкая пленка перегретого пара, которая является плохим проводником тепла и снижает скорость охлаждения. Первый этап относительного медленного охлаждения называется стадией пленочного кипения;

 

- когда количество теплоты, отнимаемой жидкостью, больше количества теплоты, излучаемой нагретым телом, пленка разрывается и дальнейшее охлаждение происходит парообразованием на поверхности металла (стадия пузырчатого кипения);

 

- поскольку на парообразование расходуется большое количество теплоты, то поверхность изделия охлаждается очень интенсивно и температура ее быстро падает. Когда температура поверхности достигает температуры кипения жидкости, охлаждение происходит теплоотдачей и значительно замедляется (стадия конвективного теплообмена).

 

В качестве охлаждающих сред применяют воду, водные и другие масла, расплавленные соли и металлы, и в ряде случаев – воздух. (табл. 4).

 

В качестве охлаждающей среды при закалке углеродистых сталей, содержащих больше 0,3% углерода применяется вода.

 

Углеродистые стали, содержащие меньше 0,3% углерода, фактически не закаливаются, т.к. при охлаждении в любой реальной среде нельзя получить скорость охлаждения больше критической, поэтому аустенит частично или полностью будет распадаться на феррито-цементитную смесь. Только в малых сечениях деталей из малоуглеродистых сталей, содержащих меньше 0,3% углерода можно получить закаленную структуру (мартенсит).

 

Положительным свойством воды является быстрое охлаждение в районе наименьшей устойчивости аустенита (600 – 500⁰С).

 

Таблица 4

Охлаждающая способность различных закалочных сред в интервалах температур перлитного превращения и около мартенситной точки стали

Охлаждающая среда	Скорость охлаждения, град/с в интервале температур 0С
650-450	300-200
Вода при 180С
Вода при 280С
Вода при 500С
Вода при 740С
Вода+10% едкого натра при 180С
Вода+10% поваренной соли при 180С
Вода+10% серной кислоты при 180С
Вода мыльная при 180С
Вода дистиллированная
Эмульсия масла в воде
Машинное масло
Керосин	160-180	40-60
Медные плиты
Железные плиты
Спокойный воздух		-

 

Основные недостатки воды – большая скорость охлаждения в районе мартенситного превращения (300 – 200⁰С) и резкое снижение охлаждающей способности с повышением температуры воды. В тоже время она неизменна в мартенситной области. Поэтому при закалке значительного количества металла в ванне с неподвижной водой охлаждающая способность ее с течением времени ухудшается.

 

Большое значение имеет относительное движение изделия и охлаждающей жидкости. Чем больше относительная скорость движения детали охлаждающей жидкости, тем легче разрывается пленка и быстрее охлаждается деталь.

Охлаждающую способность воды при температуре 650-450°С можно изменять в широких пределах, вводя различные добавки. Однако в области мартенситного превращения она во всех случаях остается высокой. Для повышения охлаждающей способности в воду вводят поваренную соль NaCl, едкий натр NaOH и др. Они уменьшают возможность образования паровой пленки и способствуют более быстрому ее разрушению. Процесс кипения происходит более равномерно, чем в воде без добавок. С повышением температуры воды с добавками скорость охлаждения снижается менее интенсивно.

 

Масло как охлаждающая среда применяется при закалке легированных сталей. Масло в районе наименьшей устойчивости аустенита охлаждает примерно в 3 раза, а в районе мартенситных превращений в 10-15 раз медленнее, чем вода. Это основное его преимущество. Закаливающая способность масла слабо меняется с повышением его температуры. Основным недостатком масла является малая скорость охлаждения в районе температур наименьшей устойчивости аустенита, что не позволяет применять масло в качестве закалочной среды при закалке средне- и высокоуглеродистых сталей, т.к. для этих сталей оно не обеспечивает скорость охлаждения больше критической. К недостаткам масла как закалочной среды также относятся: огнеопасность (при нагреве выше 250-300°С оно может загореться); постепенное загустение (вызывает снижение закаливающей способности) и пригорание масла на детали.

 

Таким образом, все применяемые реальные охлаждающие среды не могут полностью удовлетворить требования, предъявляемые к идеальному охладителю. В зависимости от состава стали, формы и размеров детали и требуемых в термически обработанной детали свойств следует выбирать оптимальный способ закалки, наиболее просто осуществляемый и одновременно обеспечивающий нужные свойства.

 

Чем сложнее форма термически обрабатываемой детали, тем тщательнее следует выбирать условия охлаждения, потому что чем сложнее деталь, тем большие внутренние напряжения возникают в ней при охлаждении.

Чем больше углерода содержит сталь, тем больше объемные изменения при превращении, тем при более низкой температуре происходит превращение аустенита в мартенсит; больше опасность возникновения деформаций, трещин, напряжений и других закалочных пороков; тщательнее следует выбирать условия закалочного охлаждения для такой стали.

Основные способы закалки:

1. Закалка в одном охладителе (рис. 25, режим 2) ‑ наиболее простой способ. Для закалки мелких деталей сечением до 5 мм из углеродистых сталей и деталей из легированных сталей применяют масло. Для более крупных, но простых по форме деталей из углеродистой стали в качестве закаливающей среды применяют воду или водные растворы солей и щелочей. В качестве закалочных сред при этом способе рекомендуются: в инструментальном производстве 5-15%-ный раствор NaCl в воде; для изделий сложной формы, склонных к короблению и трещинообразованию - 40-50%-ннй раствор NaOH в воде. Эти растворы обеспечивают скорость охлаждения при температурах 650-450°С до 1400°/с; при температурах 300-200°С скорость их охлаждения приближается к скорости охлаждения в масле.

Рис. 25. Схема охлаждения при различных способах закалки:

1 – идеальный режим охлаждения; 2 – непрерывная закалка в одном охладителе; 3 – прерывистая закалка в двух средах; 4 – ступенчатая закалка; 5 –изотермическая закалка.

Для крупных изделий сложной формы, изготовленных из легированных сталей с большой устойчивостью аустенита, типичными закалочными средами являются чистые минеральные масла или их смеси.

 

2. Прерывистая закалка в двух средах (рис.25, режим 3) этот метод заключается в предварительном охлаждении детали в быстро охлаждающей среде (например, в воде) до температуры 300°C с последующим охлаждением в более мягкой среде (напримep, в масле). При закалке в масле крупных изделий целесообразно производить также прерывистое охлаждение с окончательным охлаждением на воздухе.

 

Прерывистая закалка в двух средах обеспечивает приближение к оптимальному режиму охлаждения 1 (рис.25). Недостатком ее является трудность установления момента переноса изделия из одной среды в другую для разностенных изделий. Этот способ требует от термиста высокой квалификации.

 

3. Ступенчатая закалка (рис. 25, режим 4). При этом способе деталь, после нагрева переносят в расплавы солей, имеющие температуру немногим более высокую, чем температура начала мартенситного превращения (точка Мн) для данной стали. После выдержки при данной температуре в течение времени необходимого для выравнивания температуры по всему сечению, деталь вынимают из соляной ванны и охлаждают на воздухе. Мартенситное превращение в этом случае происходит на воздухе.

 

В качестве охлаждающей среды при ступенчатой закалке применяют смеси легкоплавких солей, например: смесь, состоящую из 55% азотнокислого калия (KNO₃) и 45% азотисто-кислого натрия (NaNO₃) - температура плавления 137°С; смесь, состоящую из 75% едкого калия (КОН) и 25% едкого натрия (NaOH) - температура плавления 150°С и др.

 

По сравнению с обычной закалкой в одной среде при ступенчатой закалке возникают значительно меньшие внутренние напряжения, уменьшается коробление и возможность возникновения трещин. Используя возникающий при распаде аустенита в мартенсит эффект ''сверхпластичности", в это время производят правку (рихтовку) изделий. Применение ступенчатой закалки ограничивается размерами деталей: до 10-12 мм для деталей из углеродистой стали и до 20-30 мм для деталей из легированных сталей.

 

4. Изотермическая закалка (рис.25, режим 5). Отличием этого вида закалки от ступенчатой является длительность выдержки выше точки Мн в нижней части области промежуточного превращения. Время выдержки должно быть достаточным для превращения аустенита в нижний бейнит. При промежуточном превращении легированных сталей наряду с бейнитом сохраняется остаточный аустенит (10-20%). Такая структура обеспечивает высокую прочность, пластичность и вязкость стали, т.е. ее высокую конструкционную прочность. Значительно снижается деформация изделий вследствие ликвидации термических напряжений. Фазовые (структурные напряжения) также уменьшаются в связи с тем, что превращение аустенита в бейнит происходят постепенно, в течение длительного времени. Изотермической закалке на бейнит подвергают обычно среднеуглеродистые легированные стали, от которых требуется повышенная вязкость (ударно-режущий инструмент).

 

Средой для охлаждения при изотермической закалке обычно являются расплавленные соли и щелочи разных составов. Охлаждение в расплавах щелочей, если предварительно детали нагревались в жидких солях, позволяет получить чистую поверхность светло-серого цвета. Такой способ закалки называется "светлой закалкой".

 

5. Закалка с самоотпуском применяется для инструментов типа зубил, пуансонов, у которых рабочая часть должна иметь высокую твердость, а нерабочая - более низкую. Эту закалку выполняют двумя способами. 1) Сначала охлаждают только рабочую часть инструмента, затем производят отпуск её по цветам побежалости. После достижения требуемого цвета побежалости инструмент полностью охлаждают в воде. 2) Изделие полностью охлаждают, затем нагревают нерабочую часть в соляной или в песочной ванне. За счет теплопроводности происходит нагрев рабочей части. Когда цвет побежалости на ней достигнет заданного, весь инструмент быстро охлаждают. Твердость постепенно снижается от рабочей к нерабочей части.

 

6. Струйчатая закалка заключается в охлаждении рабочей части изделия интенсивной струей воды. Ее применяют в том случае, когда требуется закалить часть детали.

 

Как уже указывалось, в закаленной стали, особенно содержащей более 0,6% С, всегда присутствует остаточный аустенит. Аустенит понижает твердость, износостойкость и нередко приводит к изменению размеров деталей, работающих при низких температурах, в результате самопроизвольного превращения аустенита в мартенсит.

 

Для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали применяют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной стали до температур ниже нуля. Обработку холодом применяют для сталей, температура окончания мартенситного превращения Мк, которых лежит ниже 0°С. Практически охлаждение проводится до температур ‑ 20-100°С, что вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит и повышает твердость сталей на 1-4 ед.

 

Выдержка стали после закалки при комнатной температуре более 3-6 ч. стабилизирует аустенит, в результате чего он менее полно превращается в мартенсит при дальнейшем охлаждении и уменьшает эффект обработки холодом. Поэтому обработку холодом выполняют сразу после закалки.

 

Обработку холодом применяют для режущего инструмента с целью повышения его твердости, стойкости и производительности; для измерительного инструмента ‑ с целью достижения возможно более полной стабилизации размеров.

 

Неправильно проведенная закалка может вызвать различные дефекты. Наиболее распространенные из них: закалочные трещины, деформация, коробление, повышенная хрупкость, недостаточная твердость, мягкие пятна.

 

Закалочные трещины являются результатом резкого охлаждения или нагрева вследствие возникающих при этом внутренних напряжений - как термических, так и структурных. Трещины - неисправимый брак. Для предупреждения их образования рекомендуется избегать при конструировании деталей резких переходов от толстых сечений к тонким, острых углов, резких выступов; обеспечивать медленное охлаждение в области мартенситного превращения.

 

Предотвращение деформации (изменение объема) и коробления (изменение внешней формы) обеспечивается медленным охлаждением в интервале мартенситного превращения. В атом случае необходимо применять ступенчатую и изотермическую закалки. Уменьшение коробления достигается также правильным способом погружения детали в охлаждающую жидкость, например, длинные стержневые детали необходимо охлаждать в вертикальном положении.

 

Повышенная хрупкость получается в том случае, если сталь была нагрета до температуры, намного выше критической или при оптимальной температуре была дана очень большая выдержка.

 

При перегреве происходит рост зерна аустенита, а после закалки образуется крупноигольчатый мартенсит, который характеризуется чрезмерной хрупкостью. Устраняют дефект отжигом и последующей закалкой с соблюдением заданного режима.

 

Недостаточная твердость закаленной детали объясняется недогревом (низкая температура в печи, недостаточная выдержка при правильной температуре в печи) или недостаточно интенсивным охлаждением. В первом случае мартенсит не обладает достаточной твердостью (не содержит достаточно углерода); во втором - не переохлаждается до мартенситного превращения, и структура полностью или частично состоит из продуктов перлитного распада аустенита (троостит, сорбит).

Повышение температуры печи или увеличение выдержи в первом случае устраняет пониженную твердость закаленных деталей. Во втором случае следует применять более интенсивное охлаждение, т.е. во время закалки энергично перемещать деталь в закалочной жидкости или применять вместо простой воды соленую или подкисленную.

 

При наличии на поверхности детали окалины или загрязнения, соприкосновении деталей друг с другом в процессе охлаждения, неравномерном охлаждении, неоднородной структуре стали (полосчатость, скопления феррита), загрязнении стали неметаллическими включениями в некоторых зонах детали вместо мартенсита образуется троостит или сорбит и твердость детали получается неравномерной (возникают мягкие пятна). Избежать этого дефекта можно путем выбора правильного способа охлаждения, проведения предварительной термической обработки и т.д.

 

Порядок выполнения работы

Для выполнения работы студентам предоставляются образцы различных марок углеродистых сталей (сталь 40, У8, У10), печи для нагрева образцов и баки с охлаждающими средами.

 

Измерить твердость образцов в исходном состоянии на приборе Бринеля шариком 10 мм при нагрузке 30000Н, а после закалки ‑ на приборе Роквелла алмазным конусомпри нагрузке 1500Н (шкала С). Перед определением твердости зачистить две параллельные стороны образца. Для построения кривых зависимости твердости от различных параметров, данные измерения твердости по Роквеллу перевести в единицы Бринеля. Для более интенсивного и равномерного охлаждения в закаливающей среде производить перемещение образцов.

 

При выполнении работы следует:

1) нарисовать часть диаграммыFe ‑ Fe₃С и указать на ней температурные интервалы нагрева под закалку;

 

2) замерить твердость образцов в исходном состоянии на приборе Бринелля;

 

3) провести закалку образцов в воде с температурами нагрева 650°С, 750°С, 850°С;

 

4) измерить твердость закаленных образцов на приборе Роквелла;

 

5) по данным измерения твердости установить оптимальную температуру нагрева под закалку, обеспечивающую наибольшую твердость;

 

6) определить влияние скорости охлаждения на твердость термически обработанной стали. Нагрев образцов производить до установленной оптимальной температуры, образцы охлаждать в воде, масле и на воздухе;

 

7) по данным всей группы построить графики влияниясодержания углерода на твердость закаленной стали, влияния температуры нагрева и скорости охлаждения при закалке на твердость стали. Скорость охлаждения в интервале.температур 650-450°С равна: в воде 400°/с; в масле 50°/с; на воздухе 2°/с;

 

8) произвести закалку ударного инструмента (зубило) по способу закалки с самоотпуском и измерить твердость по Роквеллу рабочей части, в центре и в хвостовой части инструмента.

 

Содержание отчета

 

При составлении отчета необходимо дать краткое описание теоретических основ процесса закалки стали, характеристику строения и свойств полученных структур, привести экспериментальные и графические данные, результаты измерений занести в табл. 5.

 

 

Таблица 5

Протокол исследования термической обработки стали

Номер образца	Твердость до термообработки	Температура нагрева, °C	Охлаждающая среда	Твердость после термообработки
	НВ	НRC			HRC	НВ

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое термическая обработка (ТО)?

 

2. Какие процессы называют термической обработкой?

 

3. Какие факторы влияют на результаты термической обработки?

 

4. Закалка стали и ее назначение.

 

5. Основные способы закалки.

 

6. Температура нагрева под закалку и ее влияние на структуру и свойства закаленной стали.

 

7. Негативные факторы нагрева. Методы борьбы с ними.

 

8. Полная закалка.

 

9. Неполная закалка.

 

10. Выбор режима закалки.

 

11. Выбор времени выдержки.

 

12. Критическая скорость закалки. Выбор охлаждающих сред.

 

13. Критическая скорость охлаждения.

 

14. Охлаждающие среды.

 

15. Обработка холодом.

 

16. Структура закаленной стали и причина ее высокой твердости.

 

17. Мартенсит. Условия получения, микроструктура, твердость.

 

18. Бейнит. Условия получения, микроструктура, твердость.

 

19. Троостит. Условия получения, микроструктура, твердость.

 

20. Сорбит. Условия получения, микроструктура, твердость.

 

21. Аустенит. Условия получения, микроструктура, твердость.

 

22. Факторы влияющие на устойчивость Аустенита и критическую скорость закалки

 

23. Дефекты при закалке.

 

24. Дайте характеристику Стали 40. Содержание углерода, температура закалки, структура до и после закалки.

 

25. Дайте характеристику Стали 50. Содержание углерода, температура закалки, структура до и после закалки.

 

26. Дайте характеристику Стали 60. Содержание углерода, температура закалки, структура до и после закалки.

 

27. Дайте характеристику Стали У7. Содержание углерода, температура закалки, структура до и после закалки.

 

28. Дайте характеристику Стали У8. Содержание углерода, температура закалки, структура до и после закалки.

 

29. Дайте характеристику Стали Сталь 85. Содержание углерода, температура закалки, структура до и после закалки.

 

30. Дайте характеристику Стали У10. Содержание углерода, температура закалки, структура до и после закалки.

 

31. Дайте характеристику Стали У11. Содержание углерода, температура закалки, структура до и после закалки.

 

32. Дайте характеристику Стали У12. Содержание углерода, температура закалки, структура до и после закалки.

 

Лабораторная работа № 3

Отпуск стали

 

Цель работы: практическое ознакомление с операцией термической обработки сталей – отпуском, изучение влияния различных видов отпуска на структуру и механические свойства закаленной стали.

 

Материалы и оборудование: коллекция образцов после закалки, нетравленых и травленых микрошлифов различных марок углеродистых сталей; прибор Роквелла для определения твердости, микротвердомер 402 MVD для определения микротвердости, металлографический комплекс, включающий оптический микроскоп МИ-1, цифровую камеру Nikon Colorpix-4300 с фотоадаптером; травитель (4%-ный раствор HNO₃ в спирте).

 

Задание: 1. Ознакомиться с основными операциями термической обработки – отпуск. 2. Произвести отпуск закаленных образцов по выбранным режимам. 3. Изучить влияние режимов отпуска на свойства и структуру конструкционных и инструментальных сталей. 4. Составить отчет о проделанной работе.

 

Теоретическая часть

 

Заключительной операцией термической обработки является отпуск стали, который включает в себя:

– нагрев закаленной стали до температур, лежащих ниже критической точки А₁;

 

– выдержку при данной температуре;

 

– последующее охлаждение с заданной скоростью.

 

При отпуске формируются окончательная структура и свойства изделия.

 

Отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.

 

Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки в течение 15-30 мин. После выдержки в течение 1,5 ч напряжения снижаются до минимальной величины, которая может быть достигнута отпуском при данной температуре.

 

Скорость охлаждения после отпуска не изменяет структуру стали, однако во избежание получения термических напряжений охлаждение ведут замедленное (на воздухе). Охлаждение на воздухе дает напряжения на поверхности в 7 раз меньше, а охлаждение в масле – в 2,5 раза меньше по сравнению с напряжениями при охлаждении в воде. Однако изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при температуре 500-650°C следует охлаждать быстро.

 

Структура стали после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита. Oбе структурные составляющие являются неустойчивыми и при нагреве будут стремиться перейти в более устойчивое состояние, т.е. в структуру феррито-цементитной смеси. Мартенсит является структурой, обладающей наибольшим объемом, а аустенит ‑ структурой с минимальным объемом, поэтому превращения должны совершаться с объемными изменениями. При превращении мартенсита объем будет уменьшаться (сжатие образца), а при превращении аустенита - увеличиваться (расширение образца).

 

Превращения при отпуске хорошо видны на дилатометрической кривой, показывающей изменение длины образца в зависимости от температуры нагрева (рис.26).

 

Рис. 26. Дилатометрическая кривая отпуска углеродистой

стали: 1 ‑ отожженной; 2 ‑закаленной.

 

В соответствии с объемными изменениями, происходящими при отпуске углеродистых сталей, выделяют три температурных интервала (три превращения). Температурные границы превращений условны, их положение зависит от скорости нагрева, длительности, выдержки и состава стали.

 

Нагрев мартенсита до 80°С не вызывает заметных изменений в структуре и на дилатометрической кривой. Начиная от 80°С и до 200°С наблюдается сокращение длины. Это будет, так называемое, первое превращение при отпуске. Рентгеновский анализ показал, что в этом интервале температур постепенно уменьшается параметр с решетки мартенсита; соотношение параметров решетки (отношение с/а) стремится к единице.

 

Уменьшение степени тетрагональности мартенсита происходит за счет выделения из мартенсита углерода в виде карбидных частиц, когерентно связанных с твердым раствором. Решетка мартенсита (a–раствора) сопряжена с решеткой карбида по определенной кристаллографической плоскости, т.е. пограничный слой атомов железа принадлежит и мартенситу, и карбиду. Выделяющиеся карбидные частицы имеют форму тонких пластинок толщиной в несколько атомных слоев и длиной в несколько сот ангстрем. Состав частиц точно не установлен; предполагают, что это карбид Fe₂C, который обозначают как e-карбид.

 

В сталях с содержанием углерода менее 0,2% выделение метастабильного карбида не наблюдается.

 

Приращение объема распавшегося мартенсита происходит непрерывным увеличением числа частиц e-карбида с образованием вокруг них участков a–твердого раствора, обедненных углеродом. Роста частиц e–карбидов не происходит из-за низкой скорости диффузии.

 

Скорость процесса при первом превращении характеризуется временем полураспада, т.е. временем, необходимым для распада половины исходного мартенсита с высокой концентрацией углерода в мартенсит с меньшим содержанием углерода.

 

Время полураспада высокоуглеродистой закаленной стали составляет:

– при комнатной температуре несколько лет;

– при 80°С – 8 месяцев;

 

– при 100°С – 50 мин;

 

– при 120°С – 8 мин;

 

– при 165°С – 45 с.

 

В результате первой стадии (первого превращения при отпуске) образуется структура, называемая отпущенным мартенситом. Кристаллы отпущенного мартенсита сохраняют ту же морфологию, что и исходный мартенсит, но плотность дефектов в них меньше. По микроструктуре распад мартенсита при первом превращении выявляется потемнением игл мартенсита.

 

Дальнейший нагрев выше 200°С приводит к увеличению объема, что связано с превращением остаточного аустенита в отпущенный мартенсит. Это, так называемое, второе превращение при отпуске захватывает интервал температур 200–300°С.

 

Выделение углерода уменьшает тетрагональность кристаллической решетки мартенсита, в результате чего остаточный аустенит получает возможность увеличить объем и превратиться в мартенсит отпуска. Это превращение – диффузионное и по своей природе похоже на бейнитное превращение первичного аустенита. К концу второго превращения a–твердый раствор (мартенсит) содержит еще около 0,15-0,20% углерода, т.к. в температурном интервале второго превращения продолжается распад мартенсита.

 

При температуре 300-400°С в углеродистых сталях происходит третье превращение. При этих температурах обеспечивается уже диффузионное перераспределение углерода, которое происходит путем растворения мелких неустойчивых карбидных частичек в мартенсите, диффузии углерода через a–твердый раствор (мартенсит) к более крупным устойчивым частицам карбида и последующего роста этих обособленных крупных частиц за счет непрерывного притока углерода. При этом также происходит превращение карбида Fe₂С в карбид Fe₃C, т.е. в цементит. Частички цементита, как правило, выявляются по границам зерен и иглам мартенсита.

 

Полное выделение углерода из a–твердого раствора (мартенсита) способствует снятию внутренних напряжений (напряжений второго рода), возникающих в стали в связи с объемными изменениями, вызванными распадом мартенсита и остаточного аустенита. Структуру, образующуюся после отпуска при 300-400°C, называют трооститом отпуска.

Дальнейший нагрев выше 400°С приводит к коагуляции цементитных частиц и укреплению блоков мозаичной структуры феррита.

 

При температурах 500-600°С структура феррито-цементитной смеси имеет зернистое строение средней степени дисперсности, которая называется сорбитом отпуска.

 

При температурах 650-700°С феррито-цементитная смесь имеет грубодисперсное зернистое строение и называется перлитом.

 

Превращения при отпуске протекают в очень малых объемах (внутри мартенситных игл), поэтому обычный микроструктурный анализ не позволяет выявить происходящих структурных изменений до температур отпуска порядка 550°С.

 

Структуры троостита и сорбита отпуска при обычном рассмотрении в микроскоп с увеличением в 500-600 раз трудно отличить от структуры мартенсита, т.к. эти структуры сохраняют мартенситную ориентировку, и только при увеличении в 1000 и более раз отчетливо видно строение сорбита. При нагреве выше 550°С мартенситная ориентировка пропадает.

 

Следует указать на существенное различие феррито-цементитных смесей, полученных в результате распада аустенита или мартенсита.

 

В феррито-цементитной смеси (троостит закалки или сорбит закалки), получающейся при распаде аустенита, цементит имеет пластинчатую форму.

 

А в получающейся при распаде мартенсита этой же смеси при температуре 400°С и выше цементит имеет зернистую форму.

Различная форма цементита в феррито-цементитной смеси предопределяет и различие в свойствах. При одинаковых твердости, пределе прочности и относительном удлинении сталь с зернистой структурой имеет более высокие значения предела текучести, относительного сужения и ударной вязкости.