Превращения при отпуске стали

Белоус М.В., Черепнин В.Т., Васильев М.А.

Металлургия, 1973 г.

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ СКОРОСТНОМ ОТПУСКЕ СТАЛЕЙ

1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПРИ СКОРОСТНОМ НАГРЕВЕ ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ

Предварительная термическая обработка исследованных сталей заключалась в закалке от температур, обеспечивающих получение гомогенного аустенита. При нагреве образцов под закалку принимались меры против окисления и обезуглероживания. Образцы закаливали в 10%-ном водном растворе NaOH; сразу после закалки их переохлаждали в жидком азоте для уменьшения количества остаточного аустенита; в некоторых случаях переохлаждение осуществляли в смеси твердой углекислоты с бензином или ограничивались резким охлаждением до комнатной температуры.

Превращения при скоростном контактном электронагреве изучали на установке для комплексного исследования, которая позволяла одновременно фиксировать температуру, удлинение, ток и падение напряжения на участке образца, а также отметки времени [58]. Индукционный электроотпуск проводили на установке ЛГЗ-10 с регистрацией удлинения и температуры.

На рис. 27 представлена типичная комплексная осциллограмма нагрева закаленной стали У12А. Характерные особенности подобных осциллограмм не изменяются заметным образом при вариации скорости нагрева или состава стали. Первое, второе, а также α-^γ-превраще-ние сопровождаются значительными объемными эффектами. Электросопротивление изменяется достаточно резко лишь в области первого превращения; теплоемкость стали меняется так же, как и при медленном нагреве.

Фазовый состав сплавов после индукционного или контактного электронагрева до различных температур исследовали следующими методами: рентгеноструктур-ным, электронографическим с выведением исследуемой

фазы в рельеф (см. гл. 1), магнитным в сильных полях — непосредственно в условиях скоростного нагрева и путем построения повторных термомагнитных кривых, а также методом повторного дилатометрического анализа. Для получения информации об изменении содержания углерода в твердом растворе использовали метод измерения удельного электросопротивления. Расшифровка рентгенограмм показала, что, первый, фиксируемый на осциллограммах скоростного нагрева объемный эффект, как и следовало ожидать, связан с выделением углерода из мартенсита (исчезновение тетрагонального дублета на сплавах, содержащих 0,8—1,23% С), т. е. с протеканием первого превращения при отпуске. Об этом свидетельствует изменение удельного электросопротивления сплавов в условиях непрерывного скоростного нагрева, а также при комнатной температуре после контактного или индукционного электроотпуска (рис. 28).

Применение быстродействующего магнитометра с магнитным зондом позволяло наблюдать за изменениями намагниченности сплавов непосредственно в процессе скоростного индукционного нагрева. Согласно полученным, данным (рис. 29), интервал превращения остаточного аустенита приблизительно совпадает с интервалом второго объемного эффекта при скоростном нагреве. При этом, по нашим данным, превращение происходит в основном в процессе нагрева.

Кроме превращения остаточного аустенита, нагрев закаленных сплавов до температур, соответствующих второму эффекту на дилатограммах, вызывает существенные изменения в карбидной фазе. Расшифровка электронограмм выведенной в рельеф карбидной фазы и рентгенограмм карбидного порошка, выделенного электролитически из высокоуглеродистых сплавов, показала, что карбидная фаза, образующаяся в результате   скоростного   нагрева до температуры завершения второго объемного эффекта (в интервале 480—520°С), обладает кристаллической решеткой цементитного типа с параметрами, совпадающими, в пределах точности измерения, с параметрами элементарной ячейки цементита.

На магнитограммах повторного нагрева, подобным образом обработанных сплавов (рис. 30), при 270° С четко фиксируется точка Кюри карбидной фазы (в литературе ее обычно приписывают так называемому χ-карбиду железа); иногда эту фазу, обладающую кристаллической решеткой, очень близкой по симметрии и по величине параметров элементарной ячейки к кристаллической решетке цементита, называют перкарбидом железа [4] или промежуточным карбидом [7], В. Н. Гриднев и Ю. Н. Петров считают [11], что правильнее в этом случае говорить о дефектном цементите.

Таким образом, данные структурных исследований и магнитный анализ приводят к выводу о том, что резкое сжатие образцов исследованных сплавов при 400—520° С в условиях скоростного нагрева связано с переходом ε-карбида в карбид, близкий по кристаллической структуре к цементиту. Этот результат согласуется с выводами электронномикроскопического исследования [1:1].

Значительный интерес представляет вопрос о том, можно ли подавить или хотя бы затормозить отпуск закаленной стали путем существенного ускорения нагрева, и реализовать, таким образом, условия для обратного мартенситного превращения. На рис. 31 показаны дилатограммы нагрева закаленной стали (1,20% С) в диапазоне скоростей от 100 до 60 000 град/сек. Из анализа их следует, что процессы отпуска, связанные с изменением объема при первом и третьем превращениях, проходят достаточно полно при всех исследованных скоростях нагрева (рис. 32). Температурные интервалы превращений оказываются сдвинутыми в сторону высоких температур цд 100 град уже при скорости нагрева 150—200 град/сек, и в дальнейшем их положение изменяется незначительно (температуру удается надежно измерить при скоростях нагрева до 10 000 град/сек).

При увеличении скорости нагрева время превращений изменяется примерно по гиперболическому закону и при скорости нагрева 60 000 град/сек составляет около 10~³сек.

Из полученных результатов можно сделать вывод о том, что при скоростях нагрева до 60 000 град/сек мартенсит углеродистых сталей распадается, первое и третье

превращения происходят без заметного подавления и, следовательно, нет смысла говорить о возможности обратного мартенситного превращения в изученном диапазоне скоростей.

Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в закаленных железоуглеродистых сплавах, содержащих от 0,5 до 1,23% С, при скоростном индукционном и контактном электронагревах протекают те же фазовые превращения, что и при нагреве стали с небольшими скоростями: распад мартенсита, превращение остаточного аустенита и карбидное превращение на третьей стадии отпуска.