Явления закалки и отпуска стали

Курдюмов Г.В.

Металлургиздат, 1960 г.

I. ЗАКАЛЕННАЯ СТАЛЬ

1. ПРИРОДА МАРТЕНСИТА

Получение особых свойств стали в результате ее закалки обусловливается, как известно, возникновением в процессе охлаждения мартенсита — главной структурной составляющей закаленной стали. В каждом зерне исходного аустенита образуется большое число кристаллов мартенсита, имеющих обычно форму пластинок. Толщина пластинок по крайней мере на один порядок меньше размеров в перпендикулярных к ней направлениях. Размер кристаллов мартенсита зависит от состояния зерен аустенита. Чем однородней и совершенней кристаллическая структура аустенита, тем крупнее кристаллы мартенсита. При большой неоднородности строения аустенитного зерна и наличии несовершенств его кристаллической структуры кристаллы мартенсита могут быть очень малы.

Решетка кристаллов мартенсита — центрированная тетрагональная, близкая к решетке а-железа и тем больше от нее отли-чaющaяtя, чем выше содержание в стали углерода [2—4].

Для понимания природы мартенсита важны следующие результаты экспериментальных исследований кристаллической решетки мартенсита углеродистых сталей [2—8]:

1) периоды решетки данной стали не зависят от температуры закалки, если она производится из однофазной аустенитной области и скорость охлаждения достаточно велика;

2) периоды решетки а и с не зависят от скорости охлаждения, если она выше критической, необходимой для предотвращения распада аустенита и отпуска мартенсита во время охлаждения;

3) периоды решетки а и с не зависят от концентрации углерода в стали, если закалка производится от одной и той же температуры из гетерогенной области (между точками А1 и Л₃);

4) если закалка ведется из однофазной аустенитной области и скорость охлаждения достаточна для предотвращения распада аустенита и отпуска мартенсита, то периоды а и с зависят только от содержания в стали углерода. Эта зависимость для отношения осей может быть с достаточным приближением вы ражена [8] как с/а= 1 + 0,0467 р, где р — весовой процент углерода в стали.

Из этих экспериментальных данных следует, что: 1) мартенсит есть пересыщенный твердый раствор углерода в а-желе-зе; 2) периоды решетки мартенсита определяются содержанием углерода в исходном аустените; 3) мартенсит содержит в растворе столько углерода, сколько его растворено в исходном ^аустените; превращение аустенита в мартенсит является бездиффузионным процессом, происходит без изменения концентрации твердого раствора и заключается только в изменении решетки.

Атомы углерода в решетке мартенсита так же, как и в решетке аустенита находятся в междуузлиях решетки. Они размещаются в порах решетки 00— и — — 0, находящихся между

атомами железа, расположенными в направлении тетрагональной оси [3]. Атомы углерода распределены в этих порах решетки статистически.

Решетка мартенсита закономерно ориентирована по отношению к аустениту, что выражается соотношением [9]:

2. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ЗАКАЛЕННОЙ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

В углеродистых сталях с содержанием углерода меньше 0,6% не удается при закалке зафиксировать неотпущенный мартенсит. Частичный отпуск мартенсита успевает произойти даже при самой резкой закалке [5]. Неотпущенный мартенсит легко получается в заэвтектоидных сталях. Чем меньше содержание углерода, тем больше должна быть скорость охлаждения для получения нераспавшегося мартенсита. Это обусловливается повышением мартенситной точки при уменьшении содержания углерода и быстрым увеличением скорости распада мартенсита с повышением температуры. Степень распада для разных кристаллов различна, что обусловливается распространением превращения А-» М на значительную область температур. Вследствие этого тетрагональная структура получается очень неоднородной [4, 5, 8, 10].

Нераспавшийся мартенсит с отношением осей тетрагональной решетки, соответствующим данному содержанию углерода, можно получить в сталях, содержащих менее 0,6% С, путем добавления легирующих элементов, понижающих мартенситную точку. Так, в стали с 0,53% С, содержащей 1,9% Мп, мы могли получить нераспавшийся мартенсит с четко разделенными дублетами тетрагональной решетки на рентгенограмме   [11].   При

6

введении в сталь достаточного количества Мп и Niнераспавшийся мартенсит получается при закалке сталей с содержанием углерода 0,5—0,2% [12].

Таблица 1

Химический   состав, мартенситная точка М_ни отношение параметров тетрагональной решетки мартенсита — малоуглеродистых сталей

В табл. 1 приведены данные о составе исследованных сталей и результатах определения величины —. Эти данные показывают, что, если при закалке предотвращается процесс распада твердого раствора, то и в сталях с 0,2—0,6% С мартенсит имеет тетрагональную решетку с отношением осей, соответствующим его зависимости от концентрации углерода, найденной для средне- и высокоуглеродистых сталей (рис. 1).

Однако вопрос о кристаллической решетке мартенсита сталей с 0,2—0,5% С еще нельзя считать достаточно выясненным. Как известно [9, 13], применение монокристаллов позволяет получить отражение (002) при отсутствии отражения (200), и наоборот. Оказалось [12], что в сталях с 0,2—0,5% С пятно (002) получается раздвоенным даже в том случае, когда возможность распада исключается понижением (с помощью добавок легирующих элементов) мартенситной точки ниже комнатной температуры. Это можно объяснить, если предположить, что часть кристаллов мартенсита имеет тетрагональную решетку, а часть — кубическую. Из соотношения интенсивностей можно было заключить, что количество кристаллов с тетрагональной решеткой невелико при 0,2% С и растет с увеличением содержания углерода. Существование в некоторой области концентраций двух решеток мартенситной фазы известно на примере фаз Р' и у' сплавов Си-А1 или Cu-Sn[35]. Вопрос о присутствии пересыщенного твердого раствора углерода в а-железе с кубической решеткой наряду с тетрагональной решеткой требует еще дальнейшего исследования.

Скорость распада мартенсита определяется не только подвижностью атомов, которая быстро увеличивается с температурой, но и движущей силой распада, которая тем меньше, чем меньше пересыщение твердого раствора. Поэтому в простых углеродистых сталях с очень низким содержанием углерода (около 0,1% и менее), несмотря на сравнительно высокую температуру М_и (около 500°) начала превращения А-*М, при резком охлаждении удается получить   нераспавшийся   мартенсит.

Это следует из данных о зависимости ширины рентгеновской интерференционной линии и твердости от концентрации углерода в малоуглеродистых сталях (рис. 2, 3) [101].

Получение нераспавшегося мартенсита при закалке сталей, содержащих около 0,1% С, может быть облегчено введением элементов, задерживающих вторую стадию распада мартенси¹ та при отпуске, т. е. элементов, повышающих устойчивость твердого раствора а с содержанием 0,1—0,2% С [14, 15]. Например, при введении титана, ванадия или молибдена распад мартенсита, содержащего около 0,1% С, перемещается к более высоким температурам отпуска (выше 450—500°) (рис. 28). Очевидно, для получения нераспавшегося мартенсита при закалке здесь нет необходимости в очень резком охлаждении в области температур ниже мартенситной точки, как и нет надобности вводить элементы, понижающие мартенситную точку. В этом случае, т. е. для сталей, содержащих около 0,1% С, более трудно создать условия для переохлаждения аустенита .