Введение. Превращения и объемные эффекты при отпуске закаленной ctали*

Дилатометрический метод исследования был одним на первых методов, позволивших сформулировать основные представления о природе превращений, протекающих шри отпуске закаленной углеродистой стали. Общепринятая классификация этих превращений (1-е, 2-е, 3-е) во многом основана на объемных эффектах, наблюдающихся при отпуске стали. Дилатометрический метод анализа превращений в металлах и сплавах основан на том, что разные фазы обладают различной плотностью (за редким исключением) и любое изменение фазового состояния отражается в изменении размеров образца.

Закаленная углеродистая сталь содерзит метастабильные при комнатной температуре фазы, а именно, мартенсит и аустенит (остаточный). После отжига такая сталь, как известно, состоит из феррита и цементита. Поэтому нагрев закаленной стали, в результате которого становится возможной диффузия, приводит к превращению метастабильных фаз в более стабильные. Превращения в закаленной стали протекают в несколько этапов до тех пор, пока не образуются феррит и цементит.

Из двух метастабильных фаз, которые наблюдаются в стали после закалки, наибольшую плотность имеет аустенит, а наименьшую мартенсит (табл. 8.1), причем плотность мартенсита уменьшается с ростом концентрации растворенного в нем углерода и, следовательно, степени его тетрагональности. Поэтому размеры образца при отпуске должны изменяться немонотонно.

Рассмотрим подробнее превращения при отпуске на примере стали, содержащей 0,8 %С. После закалки этой стали со скоростью, превышающей верхнюю критическую, в ней содержится остаточный аустеяитч (в количестве нескольких процентов) и мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в -железе с искаженной тетрагональной решеткой. Концентрация углерода в мартенсите в данной конкретном случае равна 0,8 %С, то есть равна равновесной концентрации углерода в аустените, существовавшем в этой стали перед началом закалочного охлаждения. Количество остаточного аустенита и степень тетрагональности мартенсита (отношение длины растянутого ребра элементарной ячейки "с" к длине ребра "а") возрастает с ростом концентрации углерода в аустените перед началом закалочного охлаждения. Для стали с 0,8 % (У8) степень тетрагональности решетки мартенсита равна: с/а = 1,03. Высокая концентрация углерода в мартенсите, более чем на два порядка превышающая равновесную (0,006 %), обуславливает его неустойчивость. Кроме того, поскольку превращение аустенита в мартенсит при закалке сопровождается сильным расширением (-фаза примерно на 1 % плотнее -фазы), то возникающие внутренние напряжения приводят к фазовому наклепу, в результате которого oбpaзyющийся мартенсит имеет высокую (10¹² см^-2) плотность дислокаций и других дефектов (двойники, вакансии, микропоры).

Таблица 8.1 - Параметры решеток фаз системы Fе-С при различном содержании углерода

Фаза и содержание углерода, %	Период решетки, нм	Удельный объем, см3/г
Феррит
0	0,2861	0,12708
Аустенит:
0	0,35586	0,12227
0,4	0,35714	0,12313
0,8	0,35842	0,12399
1,2	0,35970	0,12499
Мартенсит:
0 (феррит)	а=с= 0,2861	0,12708
0,4	а= 0,2855	0,12812
	с= 0,2908	0,12812
0,8	а= 0,2849
	с= 0,2955	0,12915
1,2	а= 0,2843
	с= 0,3003	0,13013
Цементит
6.67	а= 0,45144	0,13023
	в= 0,50767
	с= 0,67297

Первое превращение при отпуске. При нагреве примерно до 200 °С протекает первое превращение в закаленной углеродистой стали, а именно, двухфазный распад мартенсита закалки с образованием мартенсита отпуска, содержащего около 0,25 % углерода, и метастабильного ε-карбида с гексагональной решеткой:

М_зак  М_отп + ε-карбид^*.

Частички ε-карбида (его состав близок к Fe₂C) преимущественно образуются на дислокациях и столь малы, что с трудом обнаруживаются даже в электронном микроскопе. Образование ε-карбида при низких температурах отпуска (< 200 °С) может быть выгоднее, чем стабильного цементита Fe₃C по той причине, что его решетка обладает большим структурным и размерным соответствием с решеткой мартенсита по сравнению с цементитом.

Содержание углерода в мартенсите отпуска, равное примерно 0,25 %, почти не зависит от состава стали и определяется тем количеством атомов углерода в мартенсите, которое сосредоточивается около дислокаций, микропор и других дефектов и обеспечивает повышенную термическую стабильность этой фазы до температур третьего превращения (Т>300 °С). Двухфазный распад мартенсита закалки наиболее интенсивно протекает при 100-150 °С.

Второе превращение при отпуске начинает развиваться около 200 °С и наиболее интенсивно протекает в районе температур 250-300 °С. Второе превращение заключается в том, что остаточный аустенит - наиболее метастабильная и плотная из существующих после закалки фаз - превращается в мартенсит отпуска (его состав такой же как у мартенсита отпуска, образовавшегося из мартенсита закалки) и цементит Fe₃C:

A_остМ_отп+Fe₃C.

Третье превращение при отпуске стали протекает при температурах, превышающих 300-350 °С, когда процесс распада остаточного аустенита в основном завершается. Это превращение в первую очередь связывают с переходом гексагонального метастабильного ε-карбида в цементит Fe₃C, имеющий ромбическую решетку (карбидное превращение). Цементит обладает более плотной решеткой, чем ε-карбид, что является одной из причин большого эффекта сжатия в области температур третьего превращения. Кроме того, в районе температур третьего превращения происходит распад мартенсита отпуска, поскольку он сохраняет высокую концентрацию углерода (~0,2 %) вплоть до температур начала этого превращения (~300 °С). Это также вносит свой вклад в увеличение плотности стали.

И наконец, в, районе температур третьего превращения протекают структурные превращения, связанные с переходом феррита и цементита в более равновесное структурное состояние. Во-первых, происходит процесс рекристаллизации ферритной матрицы, наследующей от мартенсита высокую плотность дефектов кристаллического строения, и, во-вторых, коалесценция карбидных частиц. Последний процесс не сказывается на плотности стали. Первый же, существенно уменьшая плотность дислокаций (от ~ 10¹¹-10¹² до 10⁷ см^-2), вносит заметный вклад в увеличение плотности стали. С учетом всех факторов (карбидное превращение, дораспад мартенсита отпуска, уменьшение плотности дефектов) можно ожидать относительно сильное изменение объема при третьем превращении.