При нагреве (отпуске) стали

После мартенситного превращения (закалки) сталь состоит из мартенсита и остаточного аустенита. Обе эти структурные составляющие неустойчивы: мартенсит – потому что в решетке а-фазы содержится повышенное количество углерода, а остаточный аустенит неустойчив при низких температурах, т.к. γ-Fе может существовать в устойчивом состоянии только при температурах выше А₁. При относительно низких температурах в сталях с мартенситно-аустенитной структурой превращений нет из-за малой подвижности атомов. Нагрев должен вызвать распад мартенсита и превращение γ → α. Но эти процессы «растягиваются» на довольно большой интервал. В зависимости от основного содержания превращений весь температурный интервал нагрева от +20 ⁰С до А₁ принято делить на 4 периода (или 4 превращения при отпуске).

Главное содержание первого превращения – выделение углерода из мартенсита. Этот период растягивается на диапазон 100...350 ⁰С. Причем процесс идет в две стадии. На первой стадии (100...150 ⁰С) выделяющийся углерод охватывает только отдельные кристаллы мартенсита, и образуется так называемый ε-карбид, который, во-первых, имеет состав, отличающийся от цементита, и, во-вторых, образуется в виде плоских дисков, сопряженных с мартенситом. Такой распад называется двухфазным. На второй стадии (150…350 ⁰С) в распад вовлекается весь мартенсит, он обедняется углеродом до предела, близкого к равновесному. В итоге образуется структура, состоящая из мелкодисперсного (в виде дисков) ε-карбида и а-фазы с повышенным содержанием углерода. Получающуюся структуру называют отпущенным мартенситом. Такой мартенсит имеет меньшую плотность дислокаций и меньшую тетрагональность, чем мартенсит закалки.

Второе превращение распространяется на диапазон температур 200...300 ⁰С. Его главное содержание – превращение остаточного аустенита. При этом образуется структура мартенсита и частиц карбидов, устойчивых при этих температурах, т.е. отпущенный мартенсит.

Третье превращение развивается при температурах 350...450 ⁰С. Главное содержание превращения – снятие внутренних напряжений и карбидное превращение ε-карбид → цементит. Одновременно с этим происходит дальнейшее совершенствование а-фазы, ее полигонизация и снятие макро- и микронапряжений. Образующаяся после такого нагрева структура называется трооститом отпуска. Характерная особенность этой структуры – обеспечение наиболее высоких упругих свойств стали.

Четвертое превращение при нагреве развивается в диапазоне температур 450…550 ⁰С. При этих температурах происходит коагуляция карбидов за счет растворения мелких и роста более крупных, но шарообразной формы; происходит полное обеднение α-фазы углеродом и ее полная полигонизация. Образовавшуюся структуру называют сорбитом отпуска. Характерная особенность этой структуры – обеспечение стали наиболее высоким сочетанием прочности, вязкости и пластичности.

При температурах, близких к А₁, образуется грубая феррито-карбидная структура с диаметром карбидных частиц около 3 мкм. Такую структуру называют зернистым перлитом.