Файл: Физические основы электротермического упрочнения стали..pdf

кацией, вкладывая в превращения тот же смысл, что и в превра­ щения, происходящие при медленном нагреве.

Прежде чем перейти к изложению сути процессов при скорост­ ном отпуске, остановимся вкратце на важнейших эксперименталь­ ных результатах, полученных при малых (печных) скоростях на­ грева.

Согласно рентгеновским исследованиям структуры закаленной стали, изменение ее свойств при отпуске в температурном интерва­ ле 100—150° С объясняется уменьшением тетрагональности решет­ ки мартенсита вследствие выделения углерода из твердого раствора.

процесса, не изменяя его механизм [238]. Рентгеноструктурные иссле­ дования при температурах отпуска 80, 100 и 120° С показали, что об­ разование низкотемпературного карбида и увеличение неоднороднос­ ти концентрации углерода сопровождаются повышением упругих на­ пряжений в микрообластях мартенсита, приводящих к изменению его блочной структуры. Отпуск до 300° С позволяет рентгенографи­ чески обнаружить цементит, количество которого при повышении температуры возрастает, при этом решетка мартенсита приближает­ ся к решетке а-железа [239, 240].

Остановимся кратко на данных о структурных изменениях угле­ родистого мартенсита при отпуске, полученных главным образом электронномикроскопическим методом [184, 185, 241].

Выше отмечалось, что с увеличением содержания углерода в стали уменьшается толщина двойников превращения. Соответ­ ственно изменяется и дифракционная картина. После отпуска мар­ тенсита заэвтектоидной стали в течение 1 ч при 100° С структура двойникованных участков изменяется. Дислокационная сетка по­ добна сетке неотпущенного мартенсита, тетратональность изменяет­ ся в пределах ошибки измерения. Тем не менее вследствие высокой диффузионной подвижности углерода в мартенсите появляются тонкие пластинчатые образования, на электронограммах — полосы интенсивности, т. е. начальная стадия распада мартенсита подобна

146 начальной стадии процессов старения пересыщенных твердых рас-

матрицы, исчезают. Тетрагональность мартенсита уменьшается,

— » 1,008.

а

Второе превращение при отпуске связывают с распадом оста­ точного аустенита. Продуктами распада являются карбид и мар­ тенсит отпуска. Обычно считают, что второе превращение проис­ ходит при 230—280° С, однако, по данным работы [27], можно наблюдать признаки распада остаточного аустенита после длитель­ ных выдержек при 150° С. Карбидообразующие элементы смещают интервал интенсивного распада остаточного аустенита в область повышенных температур. Как правило, распаду остаточного аустенита приписывают механизм, присущий распаду переохлаж­ денного аустенита в соответствующем температурном интервале. В данном случае механизм распада аналогичен механизму проме­ жуточного превращения.

К сожалению, экспериментальных данных о механизме распада остаточного аустенита при больших скоростях отпуска почти нет, так как исследование этого интересного и важного в практическом отношении явления связано с определенными методическими труд­ ностями. Кинетические особенности распада остаточного аустенита при высоких скоростях нагрева изучены более подробно (см. следу­ ющий параграф).

В процессе третьего превращения (при 260—360° С) заметно изменяется удельный объем стали, параметр решетки а-фазы оста­ ется постоянным [242]. Природа процессов третьего превращения при отпуске пока не установлена. Некоторые исследователи счи­ тают [179, 240, 242—245], что карбид, образующийся при всех температурах отпуска, тождествен по составу и типу решетки це­ ментиту, а третье превращение является результатом структурных изменений. Например, в работах [240, 246] третье превращение при отпуске объяснялось выделением карбидных частиц из мартенситной фазы, а также изменением их формы и степени дисперсности. Заметим, однако, что расчетные оценки ожидаемых объемных из­ менений при таком подходе к природе третьего превращения мень­ ше значений, полученных экспериментально. Поэтому едва ли третье превращение следует трактовать только как структурное.

Согласно другой точке зрения [247, 248], карбид, образующий­ ся при низкотемпературном отпуске, отличен от цементита по струк­

является цементитом с присущей ему орторомбической решеткой, что было установлено рентгенографически [237]. Это объяснение природы третьего превращения (карбидное превращение низкотем­ пературного карбида в цементит непосредственно [249—252] или через промежуточный карбид [248]) подтверждается также магни­ тометрическими измерениями.

Электронномикроскопическому исследованию структуры стали, образующейся при низкотемпературном отпуске, посвящены рабо­ ты [184, 185, 253]. На ранних стадиях отпуска наблюдалось два вида карбидных выделений, которые соответствовали типам мар­ тенсита, образующегося в углеродистых сталях. В сталях с низким содержанием углерода сначала образуется е-карбид, а при 300° С — цементит с дефектной кристаллической решеткой [254]. После от­ пуска при 400° С наблюдается укрупнение карбидов и совершен­ ствование решетки цементита. При температуре порядка 500° С про­ исходит полигонизация ферритной матрицы, сфероидизация кар­ бидов и дальнейшее совершенствование кристаллической решетки цементита. При 550—600° С матрица рекристаллизуется. В высо­ коуглеродистой стали [186] в связи с появлением внутренних двойников изменяется расположение выделений на ранних стадиях. Отпуск при 100° С в течение 1 ч вызывает некоторое изменение твердости, при этом структура в основном не изменяется. После 300° С крупные карбиды располагаются вдоль двойников, а малые выделения — под углом к их границам (в отличие от малоуглеро­ дистой стали, у которой цементит выделяется главным образом по границам игл).

Процесс распада мартенсита в высокоуглеродистой стали за­ метно осложнен образованием при закалке значительного количест­ ва мартенситных кристаллов, имеющих внутренние двойники. При низкотемпературном отпуске в этих кристаллах выделяются кар­ биды цементитного типа и геометрия их выделения связана с двой­ никовыми плоскостями. Ориентационные соотношения между цемен­ титом и мартенситом были установлены в работе [255]. В областях, не имеющих внутренних двойников, распад мартенсита, как и в малоуглеродистых сталях, сопровождается выделением е-карбида, последующие трансформации в них также аналогичны соответствую­ щим превращениям в малоуглеродистых сталях.

Таким образом, при отпуске в высокоуглеродистых сталях воз­ можно образование одновременно как низкотемпературного е-кар­ бида, так и низкотемпературного цементита [253, 254]. По-видимо­ му, именно это послужило причиной длительных дискуссий о при­ роде низкотемпературного метастабильного карбида.

После отпуска при 500° С карбиды по границам двойников сфероидизируются. Независимо от содержания углерода при 400° С начинается возврат, при 500° С образуется полигонизационная сетка, а при 600° С происходит рекристаллизация. Карбиды на­ блюдаются преимущественно на границах рекристаллизованных зе­ рен. В работе [255] было установлено, что е-карбид растворяется

продуктом распада ам. Этот вывод подтверждается данными об изменении электросопротивления а^-твердого раствора при отпус­ ке, а также результатами, полученными в работах [205, 206] при исследовании марганцевых, никелевых и рениевых сталей.

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ НАГРЕВА НА ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИНТЕРВАЛЫ ЭФФЕКТОВ ОТПУСКА

Превращения при отпуске закаленного мартенсита зависят от диф­ фузионных процессов, а это означает, что кинетика распада про­ дуктов закалки стали зависит как от дефектной структуры мартен­ сита, так и от температурных условий его распада. В работе [238] •показано, что несовершенства кристаллического строения мартен­ сита, хотя и изменяют кинетику распада при первом превращении, не влияют на механизм самого превращения. По изучению влияния скорости нагрева на температурные интервалы эффектов отпуска в углеродистых и легированных сталях накоплен значительный экспериментальный материал [257—259]. В результате этих иссле­ дований установлен характер распада метастабильных фаз закален­ ной стали. Показано, что при электронагреве закаленной углеро­ дистой стали со скоростями до 60 ООО град/сек подавить процессы распада мартенсита не удается: на дилатометрических кривых на­ грева отчетливо наблюдались сжатия от первого и третьего эффектов отпуска, как и при меньших скоростях нагрева. Установлено так­ же, что при увеличении скорости нагрева температурные интервалы эффектов отпуска смещаются в область более высоких температур. Справедливое для печных нагревов разделение эффектов отпуска на первый, второй и третий при скоростном нагреве носит несколь­ ко условный характер, поскольку при быстром нагреве последо­ вательность этих превращений может измениться [259]. Изучение температурной зависимости первого и третьего превращений при отпуске в условиях быстрого нагрева принципиальных трудностей не представляет, поскольку оба превращения сопровождаются значительными объемными эффектами сжатия, которые хорошо фик­ сируются на дилатограмме нагрева закаленной стали. Эксперимен­ тальное же исследование процесса распада остаточного аустенита при быстром нагреве закаленной стали осложняется тем, что на незначительный объемный эффект при распаде остаточного аусте­ нита, происходящего в интервале температур, накладываются ди­ латометрические эффекты, связанные с распадом мартенсита. При помощи металлографического и магнитометрического анализов про­ дуктов распада метастабильных фаз закаленной стали после ско­ ростного отпуска до определенных температур и последующего охлаждения не удалось определить кинетические характеристики происходящих при отпуске процессов. В значительной степени эти пробелы были устранены благодаря применению быстродействую-