Фазовые превращения в сплавах железо-углерод. Понятие о термической обработке

Фазовые превращения в сплавах железо-углерод. Понятие о термической обработке

Обработка с целью изменения структуры и свойств металлов и сплавов, находящихся в твердом состоянии путем последователь­ного проведения процессов нагрева и охлаждения, носит название термической (тепловой).

Термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную. Для подготовки структуры и свойств сплавов к последующим технологическим операциям применяют пред­варительную термическую обработку, особенно широко распространенную на металлургических заводах (термическая об­работка слитков, проката и других полуфабрикатов). Оконча­тельная термическая обработка в технологическом цикле об­работки является, как правило, конечной операцией, определяющей структуру, физико-механические и эксплуатационные свойства изделий.

В составе современных машиностроительных и металлургических заводов, как правило, имеются специальные цехи, отделения или участки для термической обработки изделий. Все большее распро­странение получает термическая обработка при изготовлении деталей машин, инструментов и заготовок, когда оборудование для нее устанавливают по технологическому потоку в механических, прокатных, кузнечных, штамповочных и других цехах.

Основными параметрами термической обработки являются тем­пература и скорость нагрева, выдержка при выбранной температуре нагрева и скорость охлаждения.

Все процессы термической обработки протекают при определен­ной температуре и в течение определенного времени. Поэтому любой технологический процесс термической обработки можно изобразить в виде графика, построенного в координатах температура-время.

В качестве примера на рис. 56 приведен график отжига углероди­стой инструментальной стали марки У8.

График отжига углеродистой инструментальной стали марки У8

График отжига углеродистой инструментальной стали марки У8

Из графика видно, что сталь марки У8 при отжиге нагревают до 750° С в течение 3 ч, выдерживают при этой температуре 9-10 ч  и охлаждают, сначала до 550° С вместе с печью в течение 5 ч, а затем на воздухе. Общая длительность отжига составляет около 20 ч.

Операциями термической обработки являются отжиг, нормали­зация, закалка и отпуск. Некоторые из этих операций имеют раз­новидности. А. А. Бочваром предложена классификация видов тер­мической обработки ме­таллов и сплавов, со­стоящая из следующих пяти групп.

Первая группа опе­раций термической об­работки характеризует­ся отсутствием в спла­вах фазовых превраще­ний в твердом состоя­нии. К этой группе относится отжиг пер­вого рода (рекристаллизационный, диф­фузионный и для сня­тия внутренних оста­точных напряжений).

Особенностью второй группы операций является наличие в спла­вах фазовых превращений в твердом состоянии. К этой группе от­носят полный и неполный отжиги стали, а также нормализацию. В отличие от отжига первого рода такой отжиг называют отжи­гом второго рода. При отжиге второго рода сталь нагрева­ют выше температур фазовых превращений в твердом состоянии. Охлаждение производят медленно, чтобы успели закончиться фазо­вые превращения. После отжига сталь имеет устойчивую (равно­весную) структуру, обусловливающую высокую пластичность и вязкость и малую твердость и прочность.

Отжиг является наиболее распространенной операцией терми­ческой обработки металлов и сплавов.

При нормализации сталь нагревают тоже выше температур фазо­вых превращений в твердом состоянии, но охлаждение проводят на воздухе. Поэтому твердость и прочность стали после нормализации выше, чем после отжига.

Третья группа операций термической обработки также харак­теризуется протеканием в сплавах фазовых превращений в твердом состоянии. И в этом случае нагрев производят выше температур фазовых превращений, но охлаждают с высокой скоростью. Такой вид термической обработки называют закалкой. При закал­ке, вследствие большой скорости охлаждения, в сплавах не успе­вают произойти фазовые превращения и при комнатной температу­ре или фиксируется структура, образующаяся при высоких темпе­ратурах, или возникает новая. Структуры, полученные закалкой, неустойчивы (неравновесны). После закалки сплавы, как правило, приобретают высокую твердость и прочность.

Четвертая группа операций характеризуется наличием в зака­ленных сплавах после нагрева фазовых превращений, приближаю­щих их к устойчивому состоянию. К этой группе относится отпуск. При отпуске сплавов производят нагрев ниже температур фазовых превращений и обычно медленное охлаждение. После отпуска твердость и прочность ниже, а пластичность и вяз­кость выше, чем у закаленных сплавов.

К этой группе термической обработки можно отнести термиче­ское старение, состоящее в том, что в закаленных сплавах при ком­натной температуре (естественное термическое старение) или при нагреве (искусственное термическое старение) протекают фазовые превращения, приближающие их к устойчивому состоянию. Однако механические свойства сплавов при старении, по сравнению с отпу­ском, изменяются в обратном направлении: прочность и твердость увеличиваются, а пластичность и вязкость уменьшаются. В связи с этим А. А. Бочвар различает отпуск упрочняющий (термическое старение) и смягчающий (собственно отпуск). Упрочнение сплавов после закалки и термического старения, иногда называют дис­персионным твердением.

Пятая группа охватывает операции химико-термической обра­ботки.

Из сказанного следует, что термической обработке первой груп­пы могут быть подвергнуты любые металлы и сплавы, а термической обработке второй, третьей и четвертой групп — только металлы и сплавы, имеющие фазовые превращения в твердом состоянии. Воз­можность проведения такой термической обработки можно опре­делить по диаграмме состояния сплавов. Например, сплавы, обра­зующие при затвердевании диаграмму состояния с ограниченной растворимостью, уменьшающейся с понижением температуры, мо­гут быть упрочнены путем закалки и старения. Практически эту возможность не всегда используют вследствие незначительного из­менения свойств.

Термически обрабатывают углеродистые и легированные стали и чугуны, а также сплавы цветных металлов. Особенно разнообраз­на термическая обработка стали. Основные положения теории тер­мической обработки стали будут рассмотрены ниже.

 

Основные положения теории термической обработки стали

Теория термической обработки стали основана на общей теории фазовых превращений, протекающих в сплавах в твердом состоя­нии.

Основоположником теории термической обработки стали явля­ется Д. К. Чернов, установивший наличие в стали при нагреве кри­тических точек a и b. В настоящее время эти точки обозначают Ac1 и Ac3. Д. К. Чернов впервые установил, что при нагреве стали ниже точки Ac1 ее структура и механические свойства не меняются, с какой бы скоростью ее потом ни охлаждали, и наоборот, они резко изменяются при нагреве выше точки Ac3 и быстром охлаждении. В течение почти 40 лет после открытия Д. К. Чернова исследования были направлены на изучение влияния химического состава на превращения, протекающие в стали. В последующие 20 лет изу­чались превращения, происходящие в стали в зависимости от ско­рости охлаждения. В последние десятилетия основное внимание было направлено на изучение превращения аустенита при постоян­ной температуре (изотермическое превращение аустенита). Наиболь­шее количество работ в этом направлении было проведено у нас С. С. Штейнбергом и его учениками, а за рубежом — Бейном, Давенпортом и др. А. А. Бочвар, Г. В. Курдюмов и другие советские ученые создали основы современной теории термической обработки стали.

Теория термической обработки стали дает возможность объяс­нить физическую сущность превращений, протекающих в ней при нагреве, выдержке и охлаждении; их механизм и кинетику. Зна­ние теории фазовых превращений позволяет управлять процессами термической обработки и получать сталь с необходимыми струк­турой и свойствами.

 

Превращения, происходящие в стали при нагреве

При нагреве выше точки Ac3 в доэвтектоидных сталях, Ac1 в эвтектоидной и Acm в заэвтектоидных сталях происходят фазовые превращения, заканчивающиеся, как это видно из диаграммы со­стояния сплавов Fe — Fe3C, образованием аустенита. До нагрева эти стали имеют соответственно структуры перлита и феррита, пер­лита, перлита и вторичного цементита. При нагреве выше указанных температур протекают два процесса: аллотропическое превращение Feα в Feγ с образованием аустенита и растворение в аустените из­быточных составляющих: в доэвтектоидных сталях — феррита, а в заэвтектоидных — вторичного цементита. При выдержке в нагре­той стали протекает диффузионный процесс выравнивания хими­ческого состава аустенита, обусловленный разной концентрацией углерода, содержание которого в феррите составляет 0,02%, а в цементите — 6,67%.

Нагрев стали для получения аустенита является первой техно­логической операцией при проведении отжига второго рода, нор­мализации и закалки.

Образование аустенита при нагреве подчиняется общим законам вторичной кристаллизации, изложенным в теории сплавов. Зерна аустенита возникают на поверхностях раздела феррита и вторич­ного цементита и внутри зерен перлита. Число возникающих зерен аустенита (в связи с тем, что этот процесс является диффузионным) зависит от температуры нагрева: чем она выше, тем больше обра­зуется зерен аустенита. Поэтому в практике сталь нагревают не­много выше температур фазовых превращений (на 30-50°).

После окончания превращения перлита в аустенит сталь в ре­зультате аллотропического превращения Feα в Feγ имеет мелко­зернистое строение. Значительное превышение температуры нагре­ва или увеличение времени выдержки способствует росту мелких зерен и может привести к излишнему росту зерен аустенита. Это нежелательно, так как величина зерна аустенита, полученного в данных конкретных условиях нагрева («действительное» зерно), оказывает большое влияние на структуру стали и ее механические свойства при последующих операциях термической обработки. На­пример, чем мельче зерно аустенита, тем более мелкоигольчатое строение и более высокую твердость имеет мартенсит (структура стали после закалки).

 

Превращения, происходящие в стали при охлаждении

Охлаждение стали является важнейшей операцией термической обработки. При проведении таких операций, как отжиг второго рода, нормализация, закалка, сталь нагревают выше температуры фазового превращения, в результате чего образуется структура аустенита. Но поскольку скорость охлаждения при этих операциях выбирают разной, структура и физико-механические свойства ее после охлаждения также различны.

Из диаграммы состояния Fe — Fe3C видно, что аустенит ус­тойчив только при температурах выше линии GSE (см. рис. 40). При переохлаждении аустенита ниже линии GSE происходит его распад. Чем выше скорость охлаждения, тем больше степень пе­реохлаждения аустенита и его распад происходит при более низ­ких температурах.

Структурная диаграмма состояния сплавов железо - цементит

Структурная диаграмма состояния сплавов железо — цементит

Если степень переохлаждения аустенита невелика, то он пол­ностью распадается на механическую смесь феррита и цементита разной степени дисперсности. Этот процесс называют перлит­ным превращением; после него можно получить как равновесную структуру (перлит), так и неравновесные структуры (сор­бит и троостит закалки). Перлитное превращение протекает при сравнительно высоких температурах и поэтому является диффу­зионным процессом.

При большой степени переохлаждения аустенита диффузия по­давляется и протекает бездиффузионный процесс: распад аусте­нита с образованием еще одной неравновесной структуры — мар­тенсита. Этот процесс носит название мартенсит- и ого превращения.

 

Перлитное превращение

По теории, разработанной А. А. Бочваром, перлитное превращение подчиняется законам вторичной кристаллизации и состоит в возникновении из аустенита зерен пер­лита и их росте. Зарождение зерен происходит как в результате переохлаждения аустенита, так и образования центров кристалли­зации, обусловленного присутствием в стали частиц различных при­месей и неметаллических включений (нитридов, оксидов, глинозе­ма и др.). Рост зерен перлита, являясь диффузионным процессом, может протекать только при достаточно высоких температурах.

Механизм образования перлита из аустенита характеризуется схемой, приведенной на рис. 57. Ведущей фазой при образовании перлита является цементит. Вначале образуется пластинка цементи­та, которая удлиняется и утолщается до тех пор, пока содержание углерода в прилегающих объемах зерна аустенита не уменьшится настолько, что образуется пластинка феррита (рис. 57, а). Затем происходит образование новых (вторичных) пластинок цементита и феррита (рис. 57, б). Обычно в исходном зерне аустенита образу­ется несколько таких участков или «колоний» перлита (рис. 57, в).

Схема образования перлита в зерне аустенита

Схема образования перлита в зерне аустенита

Величина пластинок перлита зависит от степени переохлажде­ния аустенита. Перлит, полученный при малой степени переохлаж­дения аустенита, имеет крупнопластинчатое строение; твердость по Бринеллю его равна 1569-1765 Мн/м² (НВ 160-180).

С повышением степени переохлаждения аустенита дисперсность перлита увеличивается и образуется структура сорбита закалки

(рис. 58, а). Цементит в сорбите закалки имеет мелкопластинчатое строение; твердость сорбита выше твердости перлита. Для эвтектоидной стали твердость по Бринеллю составляет 2648-3139 Мн/м² (НВ 270-320).

Микроструктуры сорбита закалки а и троостита закалки б

Микроструктуры сорбита закалки а и троостита закалки б

При еще большей степени переохлаждения образуется троостит закалки (рис. 58, б). Он имеет такую высокую степень дисперсно­сти, что его пластинчатое строение видно только под электронным микроскопом. Троостит имеет еще большую твердость — твердость по Бринеллю его 3727-4512 Мн/м² (НВ 380-460) для эвтектоидной стали. Таким образом, можно сделать вывод, что структуры пер­лита, сорбита и троостита, являясь механической смесью феррита и цементита, отличаются только степенью дисперсности пластинок цементита.

 

Мартенситное превращение

По теории, разработанной Г. В. Курдюмовым, мартенситное превращение коренным образом отли­чается от перлитного. Оно не полностью подчиняется основным зако­нам кристаллизации в твердом состоянии. При большой степени пе­реохлаждения (до температуры, соответствующей точке начала мартенситного превращения Ми для данной стали) в аустените прак­тически мгновенно возникают иглы (пластинки) мартенсита, но последующего роста их не наблюдается. Это объясняется тем, что мартенситное превращение, в отличие от перлитного, является без­диффузионным процессом (химический состав мартенсита не от­личается от состава исходного аустенита). При мартенситном прев­ращении происходит только переход Feγ в Feα. Мартенсит закалки имеет характерное игольчатое строение (рис. 59). Иглы мартенсита расположены параллельно друг другу или пересекаются под углом 60 или 120°, что является результатом ориентировки их по опре­деленным плоскостям и направлениям в решетке исходного аусте­нита.

Микроструктура мартенсита закалки

Микроструктура мартенсита закалки

Рентгеноструктурный анализ, впервые примененный для иссле­дования закаленной стали Н. Т. Гудцовым, Н. Я. Селяковым и Г. В. Курдюмовым, показал, что мартенсит является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в Feα. Пересыщен он по­тому, что растворимость углерода в Feα, как это следует из диаг­раммы Fe — Fe3C, при комнатной температуре составляет 0,006%; в мартенсите же может быть растворено углерода до 2%, т. е. столь­ко, сколько в исходном аустените. Поэтому мартенсит закалки имеет не кубическую, как Feα, а искаженную внедренными атомами углерода тетрагональную решетку с соотношением осей с/а>1 (рис,60). Чем выше содержание углерода в стали, тем больше степень тетрагональности решетки мартенсита, В стали с С = 1,8% соотно­шение осей решетки равно 1,08.

Кристаллическая решетка мартенсита

Кристаллическая решетка мартенсита

Мартенсит является твердой и хрупкой составляющей. Твердость по Бринеллю мартенсита эвтектоидной стали 6376-7455 Мн/м² (HB 650-760), а по Роквеллу HRC 62-66. Высокая твердость мар­тенсита объясняется искажением кристаллической решетки Feα внедренными в нее атомами углерода, а также измельченным блоч­ным строением пластин мартенсита, вследствие внутрифазового на­клепа. Причиной фазового наклепа является увеличение объема ста­ли при превращении аустенита в мартенсит. В отличие от аустенита мартенсит обладает магнитными свойствами.

Распад аустенита может протекать как при непрерывном охлаж­дении (от температур нагрева под закалку до комнатной температу­ры), так и при постоянной температуре (изотермический распад аустенита).

Мартенситное превращение может происходить лишь в том слу­чае, если будет исключена возможность протекания диффузионных процессов, для чего необходима большая степень переохлаждения аустенита. Это достигается высокой скоростью охлаждения стали (сотни градусов в секунду). При меньших скоростях охлаждения в закаленной стали будут наблюдаться структуры семейства перлитов — сорбит и троостит закалки.

Влияние скорости охлаждения на превращения, протекающие в стали, и получаемые при этом структуры в условиях непре­рывного охлаждения (которое наиболее часто встреча­ется в практике работы) показаны на диаграмме, приведенной на рис. 61. Эта диаграмма построена в координатах температура — скорость охлаждения для стали марки У8.

Влияние скорости охлаждения на положение критической точки Ar1 у углеродистой стали марки У8

Влияние скорости охлаждения на положение критической точки Ar1 у углеродистой стали марки У8

Как следует из рис. 61, с увеличением скорости охлаждения ста­ли марки У8 точка Ar1 в которой происходит распад аустенита, непрерывно перемещается вниз. При быстром охлаждении крити­ческая точка занимает положение Ar′1. При скорости охлаждения, равной ν1 наряду с точкой Ar′1 на диаграмме появляется точка, ко­торая соответствует температуре начала мартенситного превраще­ния — Ar″1.

Из диаграммы рис. 61 видно, что положение точки Ar″1 не за­висит от скорости охлаждения; мартенситное превращение проте­кает при постоянной температуре, которая определяется химическим составом стали. Обе точки — Ar′1 и Ar″1 наблюдаются на диаграмме до скорости охлаждения, равной ν2, при дальнейшем увеличении скорости охлаждения остается только точка Ar″1.

Микроструктурный анализ показывает, что при охлаждении со скоростью, меньшей ν1 в структуре стали образуются структуры перлита, сорбита, троостита, со скоростью от ν1 до ν2 — струк­тура троостита и мартенсита, со скоростью выше ν2 — структура мартенсита. Величину скорости охлаждения при которой в структуре стали образуется мартенсит, называют критичес­кой скоростью закалки. Следовательно, чтобы полу­чить сталь, закаленную на мартенсит, надо охладить ее со скоростью выше критической. Величина критической скорости закалки стали зависит от ее состава. Например, для углеродистой эвтектоидной стали марки У8 она составляет 300°/сек.

Распад аустенита может протекать не только при непрерывном охлаждении, но и при постоянной температуре (изотермический распад аустенита). Обработку, основанную на распаде аустенита при постоянной температуре, называют изотермической. При этом распад аустенита происходит не при охлаждении стали, а во время ее выдержки при определенной температуре. Высокая скорость охлаждения в этом случае нужна только для того, чтобы переохладить аустенит и предотвратить его распад с образованием ферритно-цементитной смеси.

Процесс изотермического распада аустенита можно для какой- либо определенной стали и температуры (лежащей между точками Ar′1 и Ar″1) изобразить в виде кривой, построенной в координатах количество распавшегося аустенита — время. Количество распав­шегося аустенита выражают в процентах, а время — в секундах.

На рис. 62 приведена кривая изотермического распада аустенита для стали марки У8 при 500° С. На этой кривой имеются две точки: нижняя А 9 соответствует началу распада аустенита, верхняя В -его концу. На основе серии таких кри­вых, соответствующих раз­ным температурам, лежа­щим ниже температуры перлитного превращения (723° С), можно построить диаграмму изотермическо­го распада аустенита для выбранной нами в качестве примера стали марки У8 (рис. 63).

Кривая изометрического распада аустенита в углеродистой стали марки У8, полученная при температуре 500С

Кривая изометрического распада аустенита в углеродистой стали марки У8, полученная при температуре 500С

На этой диаграмме, построенной в координа­тах температура — время, имеется ряд горизонталь­ных линий: одна в верх­ней части диаграммы, со­ответствующая температу­ре 723°, и две в нижней ее части. Одна из нижних горизонтальных линий соответствует температуре начала мартенситного превращения — Мн. Из диаграммы видно, что у стали марки У8 мартенситное превращение начинается при 240°. Вторая горизонтальная линия в нижней части диаграммы соответствует температуре конца мартенситного превращения — Мк. Мартенсит­ное превращение в стали марки У8 заканчивается при-50°.

Диаграмма изометрического распада аустенита в углеродистой стали У8

Диаграмма изометрического распада аустенита в углеродистой стали У8

Положение точек Мк и Мн на диаграмме не зависит от скорости охлаждения и определяется химическим составом стали: чем больше в стали углерода, тем ниже расположены точки Мн и Мк.

Таким образом, выше точки Aс1 аустенит устойчив и не распа­дается; ниже точки Мн начинается мартенситное превращение. При температуре, соответствующей точке Мк, мартенситное прев­ращение заканчивается. Для многих сталей, в том числе углероди­стых с содержанием С больше 0,6%, мартенситное превращение заканчивается (точка Мк) при температурах ниже 0°, поэтому в структуре таких сталей после закалки при комнатной температуре, наряду с мартенситом, присутствует нераспавшийся аустенит.

Аустенит, сохранившийся в структуре закаленной стали, называют остаточным. Так как твердость аустенита ниже твердости мартенсита, аустенит понижает твердость закаленной стали. По мере повышения содержания углерода, количество остаточного аустенита в структуре закаленной стали увеличивается. При зна­чительном количестве (более 20-30%) остаточный аустенит на­блюдается в микроструктуре закаленной стали в виде областей свет­лого цвета, расположенных между иглами мартенсита.

На диаграмме изотермического рас­пада аустенита имеются две кривые: кривая I, соответствующая началу рас­пада аустенита, и кривая II — концу распада. В области между кривыми I и II происходит распад аустенита.

Пунктирная кривая, расположен­ная между этими кривыми, соответ­ствует 50% распада аустенита. Между горизонтальными линиями, соответ­ствующими точкам Aс1 и Мн, располо­жены три области:

1) область левее кривой I, в которой аустенит находится в переохлажденном состоянии; расстоя­ние между этой кривой и осью ординат на диаграмме характери­зует время устойчивости аустени­та. Как видно из приведенной диаграммы, наименьшее расстоя­ние между кривой начала распада аустенита и осью ординат наблю­дается при 600° С, следовательно, при этой температуре аустенит наименее устойчив против распада;

2) область между кривыми I и II, в которой происходит распад аустенита;

3) область правее кри­вой II, в которой находятся продукты распада аустенита: уже рас­смотренные структуры — сорбит, троостит закалки, а также струк­тура игольчатого троостита (за границей недостаточно обоснованно называемая бейнитом).

Кривые на диаграмме изотермического распада похожи на букву С и поэтому их называют С-образными кривыми. Такие кривые строят для каждой марки стали; форма их зависит от хими­ческого состава стали.

Исходя из С-образных кривых, можно сделать вывод, что для распада аустенита не обязательно непрерывное охлаждение стали с большой скоростью. Такая скорость охлаждения нужна только в начале, чтобы миновать температуру наименьшей устойчивости аустенита и предотвратить его распад на ферритно-цементитную смесь. Если после быстрого охлаждения выдержать сталь при темпе­ратуре на 20-100° выше точки Мн то распад аустенита произойдет во время выдержки стали при постоянной температуре. Затем можно произвести ее охлаждение до комнатной температуры с любой скоростью. Такая закалка носит название изотермической. В процессе изотермического распада аустенита при температуре ниже 600° образуется упоминавшаяся выше структура игольчатого троостита. Игольчатый троостит также представляет собой меха­ническую смесь феррита и цементита, особенностью которой явля­ется игольчатое строение (рис. 64). Игольчатый троостит имеет бо­лее высокую твердость, чем троостит — HRC 45-55. Превращения, протекающие с образованием структуры игольчатого троостита, называют промежуточными; механизм и кинетика промежуточного превращения изучена еще недостаточно.

Микроструктура игольчатого троостита

Микроструктура игольчатого троостита

Механические свойства закаленной стали определяются коли­чеством, величиной и свойствами структурных составляющих. Наи­большую твердость имеет углеродистая закаленная сталь со струк­турой мелкоигольчатого мартенсита и небольшим количеством оста­точного аустенита.

Превращение мартенситного типа протекает не только в сталях; оно наблюдается и в сплавах цветных металлов, например, в спла­вах на основе титана.

 

Превращения, происходящие в стали при отпуске

При отпуске стали протекает ряд процессов, накладывающихся друг на друга; основным из них является диффузионный распад структур, полученных после закалки, — мартенсита и остаточного аустенита. Термодинамически превращения при отпуске объясня­ются стремлением системы перейти из более неравновесного состоя­ния в менее неравновесное.

Для изучения превращений, протекающих в стали при отпуске, применяют в основном рентгенографический, металлографический и дилатометрический методы исследования. Эти методы позволили установить, что при отпуске закаленной стали протекают четыре превращения.

Первое превращение состоит в переходе мартенсита с тетрагональной решеткой, характерной для закаленной стали, в мартенсит с кубической решеткой, называемый отпущен­ным  мартенситом. Это превращение происходит при нагреве закаленной стали до 80-170°С. Уменьшение тетрагональности решетки мартенсита объясняется выделением из пересыщен­ного твердого раствора углерода в Feα пластинок цементита, тол­щиной в несколько атомных слоев. Пластинки цементита при этом еще не обособились от решетки исходного твердого раствора и когерентно с ним связаны.

При нагреве до 200-300°С в стали протекает второе пре­вращение: распад второй структурной составляющей зака­ленной стали — остаточного аустенита на механическую смесь фер­рита и цементита.

При третьем превращении, протекающем при нагреве стали до 300-400°С, выделения цементита обособляются от решетки твердого раствора и происходит их рост. Распад мартенсита при этом полностью заканчивается и структура состоит из феррита и цементита. Происходит также снятие внутренних оста­точных напряжений, возникших в стали после закалки.

При нагреве стали выше 400°С происходит только коагуляция (укрупнение) выделений феррита и цементита — четвертое превращение.

В результате этих превращений закаленная углеродистая сталь, нагретая до 300-500°С, получает структуру троостита отпуска (рис. 65, а), а при нагреве до 500-700°С структуру сорбита отпуска (рис. 65, б). Цементит в троостите и сорбите отпуска имеет зерни­стую форму, что обусловливает в отпущенной стали понижение прочности и твердости и повышение пластичности и вязкости по сравнению с закаленной сталью. Дисперсность структурных со­ставляющих в троостите отпуска выше, чем в сорбите, и поэтому твердость и прочность стали, имеющей структуру троостита от­пуска, выше чем у стали, отпущенной на сорбит, а пластичность и вязкость — ниже.

Микроструктуры тростита отпуска (а) и сорбита отпуска (б)

Микроструктуры тростита отпуска (а) и сорбита отпуска (б)

При комнатной температуре и очень длительных выдержках в закаленной углеродистой стали протекает упрочняющий отпуск (ес­тественное термическое старение), характерный тем, что твердость и прочность ее увеличиваются, а пластичность и вязкость уменьша­ются. Уже при невысоком нагреве этот процесс ускоряется (искус­ственное термическое старение). Однако чем выше температура на­грева, тем быстрее происходит не только упрочнение, но и разупроч­нение стали.

Изменение механических свойств при термическом старении низ­коуглеродистой стали более заметно, чем в средне- и высокоуглеро­дистых.