Отпуск закаленной стали

Общие закономерности влияния легирующих элементов на процессы, происходящие при отпуске закаленной стали, а, следовательно, и свойства такой стали после закалки и от­пуска, имеют большое значение для практики термической обработки различных конструкционных и инструментальных сталей.

При отпуске закаленной стали протекают процессы распада мартенсита, образования цементита и специальных карбидов, их коагуляция, распад остаточного аустенита, возврат и рекристаллизация матрицы.

Рассмотрим влияние легирующих элементов на отдель­ные процессы, происходящие при отпуске закаленной стали.

Распад мартенсита

Распад мартенсита включает формирование сегрегаций атомов углерода и легирующих элементов в твердом растворе у дефектов кристаллического строения, образование предвыделений и выделение углерода и легирующих эле­ментов в карбидную фазу. При этом мартенсит углеродис­тых сталей, имеющий объемно-центрированную тетрагональную (ОЦТ) решетку, переходит в феррит с ОЦК решет­кой. В легированной стали на­чальные стадии распада мартен­сита (150–200°С) практически протекают так же, как и в угле­родистой стали.

Легирующие элементы слабо влияют на кинетику распада мар­тенсита до температур отпуска 150–200 °С и существенно изме­няют ее при более высоких тем­пературах. Карбидообразующие элементы (Сr, Мо, W, V, Nb) силь­но замедляют распад мартенси­та – выделение из него углерода. Если в углеродистой стали прак­тически весь углерод выделяется из мартенсита при 250–300°С, то в сталях с карбидообразующими элементами этот процесс сдви­гается в сторону более высоких температур (до 400–500°С). Такое влияние этих элемен­тов, очевидно, связано с уменьшением термодинамической активности углерода в растворе, т. е. с увеличением сил связи между атомами углерода и карбидообразующего элемента в растворе.

Некарбидообразующие элементы (Ni, Сu) и слабый карбидообразующий элемент марганец практически не задер­живают выделение углерода из мартенсита, а по некото­рым данным даже несколько ускоряют этот процесс. Ис­ключение из некарбидообразующих элементов составляет кремний, который заметно задерживает распад мартенсита.

Изложенные закономерности иллюстрируются схемой рис. 2.9, показывающей выделение углерода из мартенсита в карбидную фазу в углеродистой и легированных сталях. Как видно из схемы, карбиды цементитного типа начинают формироваться независимо от легирования при одной и той же температуре (t_ц). Однако в стали, легированной карбидообразующими элементами, при более высоких темпера­турах цементита образуется меньше, так как большее количество углерода остается растворенным в мартенсите.

Рисунок 2.9 – Схема выделения угле­рода из мартенсита и углеро­дистых (1), легированных некарбидообразующими элемен­тами кроме кремния (2) и карбидообразующими элементами (3) сталях (обобщение по лите­ратурным данным)

Если в мартенсите растворены два карбидообразующих элемента, температуры образования специальных карбидов которых различаются, то на кривой 3 будет наблюдаться (штриховая часть кривой 3) второе интенсивное выделение углерода из мартенсита при температуре t_к2. При этой температуре возникает специальный карбид второго, более сильного карбидообразующего элемента. Значения темпе­ратуры для хромистых сталей ориентировочно равны 400–500°С, для ванадиевых и молибденовых 500–550 °С, для ниобиевых и вольфрамовых 550–600°С.