Существует две очень важных температуры при закалке стали – температура начала мартенситного превращения Мн и температура конца мартенситного превращения Мк.
Роль границ аустенитных зерен
Когда аустенит превращается при охлаждении в какую-либо другую фазу, то эта новая фаза всегда сначала формируется или зарождается на старых границах зерен аустенита. Например, если перлитную сталь У8 сначала нагрели до полного аустенита при температуре 850 °С, а затем охладили на воздухе до 650 °С, то малые зерна перлита будут образовываться на старых границах аустенитных зерен сразу после того как температура упадет ниже 727 °С. Когда температура достигнет 650 °С, эти зерна начнут расти, но между ними еще будет оставаться некоторое количество аустенита. Если образец продолжать держать при 650 °С, то перлитные зерна будут расти пока не закончится весь аустенит.
Влияние степени переохлаждения аустенита
Рассмотрим также альтернативную термическую обработку, когда образец охлаждают от температуры 850 °С в горячей жидкости при температуре 650 °С. такая обработка обеспечивает охлаждение образца до температуры 650 °С намного быстрее, чем при охлаждении на воздухе. Последовательность распада аустенита будет та же самая – маленькие перлитные зерна зарождаются на старых границах аустенитных зерен и растут в оставшийся аустенит, пока он весь не закончится.
Что же измениться по сравнению с охлаждением на воздухе? Более быстрое охлаждение даст три различия:
- перлитные зерна будут расти быстрее;
- расстояние между пластинками цементита в перлите будет намного меньше;
- перлитные зерна будут меньше, так как их будет зарождаться больше на границах аустенитных зерен.
Рост перлита и рост мартенсита
Теперь предположим, что сталь У8 охлаждается в баке с водой при еще более низкой температуре, например, при комнатной. При такой низкой температуре охлаждения можно ожидать образования мартенсита и значительного упрочнения стали. Что общего и в чем различия между образованием мартенсита при комнатной температуре и перлита при температуре 650 °С? Подобно перлиту мартенсит будет начинать формироваться вдоль границ аустенитных зерен, но в отличие от перлита мартенсит растет в аустенит огромной скоростью. Перлит растет в аустенит со скоростью примерно 50 мкм/с при 650 °С и даже медленнее при более высоких температурах. Мартенсит же растет в аустенит почти со скоростью звука 4510 м/с (в стали, а не в воздухе) при любой температуре, при которой он образуется. Кроме того, в отличие от перлита, который полностью заменяет аустенит просто путем достаточно длительной выдержки образца при пониженной температуре.
Интервал температуры мартенситного превращения
Мартенсит же не будет заменять весь аустенит, пока температура закалки не станет ниже температуры, которую называют температурой конца мартенситного превращения Мк.
Более того, мартенсит и вовсе не начнет образовываться, пока закалочная температура не опустится ниже температуры начала мартенситного превращения Мн.
Если температура закалки находится между Мн и Мк, то только часть аустенита превратиться в мартенсит, а оставшийся аустенит – остаточный аустенит – будет продолжать находиться в стали.
Рисунок ниже представляет график, который иллюстрирует зависимость количества образовавшегося мартенсита от температуры закалки.
Рисунок – Зависимость количества мартенсита от температуры закалки
Значком М50 обозначена температура, при которой образуется 50 % мартенсита. Если сталь охладить до температуры М50, то 50 % аустенита в ней превратится в мартенсит. Причем это произойдет в течение миллисекунд после достижения температуры М50. Однако оставшиеся 50 % аустенита, которые окружают мартенсит, будут оставаться, как остаточный аустенит до тех пор, пока температура не изменится.
Фазовая диаграмма стали и мартенсит
Необходимо отметить, что фазовая диаграмма стали предсказывает, что весь аустенит должен исчезнуть, когда температура стали опустится ниже температуры А1. Более того, она требует, чтобы ниже точки А1 сталь состояла из феррита и цементита. Однако с закаленными сталями оба этих правила нарушаются – фазовая диаграмма правильно отражает зависимость фаз от температуры только при достаточно медленном охлаждении.
Мартенсит – метастабильная фаза
При высоких скоростях охлаждения появляется новая фаза – мартенсит, которую не предсказывает фазовая диаграмма. Такие фазы называют метастбильными, то есть неустойчивыми. Если мартенсит нагреть, как в процессе отпуска, то он переходит к более стабильным фазам. Эти стабильные фазы уже должны быть на фазовой диаграмме – нагрев мартенситных структур до температуры ниже А1превращает и мартенсит, и остаточный аустенит в смесь феррита и цементита.
Температура начала мартенситного превращения в сталях очень сильно зависит от содержания углерода аустените.
Мартенситное превращение и содержание углерода
На рисунке 1 показаны температуры начала и конца мартениситного превращения Мн и Мк для обыкновенных углеродистых сталей в зависимости от содержания углерода. Температура Мк имеет довольно значительный разброс. Закалка стали производится чаще всего в воде при комнатной температуре. Эта температура отмечена горизонтальной линией Ткомн. Эта линия позволяет оценить при каком содержании углерода возможна полная закалка при комнатной температуре или сколько остаточного аустенита будет в стали после закалки. Согласно рисунку 1 закалка при комнатной температуре уже при содержании углерода 0,3-0,4 % становиться неполной, так как при таком содержании углерода температура Ткопускается ниже комнатной температуры.
Рисунок 1 – Зависимость температур начала Тн и конца Тк мартенситного превращения от содержания углерода в аустените
Остаточный аустенит и содержание углерода
Количество в процентах остаточного аустенита в стали определяют рентгеновским методом. На рисунке 2 показаны результаты таких измерений объемной доли остаточного аустенита в закаленных обыкновенных углеродистых сталях в зависимости от содержания в них углерода. Также как и у температуры Тк наблюдается большой разброс данных. Например, для стали с содержанием углерода 1,4 % процентная доля остаточного аустенита находится в пределах от 28 до 45 %.
Рисунок 2 – Объемная доля в процентах остаточного аустенита в зависимости от содержания углерода для обыкновенных углеродистых сталей, закаленных до комнатной температуры
График на рисунке 2 дает возможность сделать следующие выводы:
1) Стали с полным реечным мартенситом (содержание углерода меньше 0,6 %) не будут иметь значительного количества остаточного аустенита.
2) Стали с полностью пластинчатым мартенситом (содержание углерода более 1 %) будут иметь значительное количество остаточного аустенита. Чем больше содержание углерода, тем больше количество остаточного аустенита.
Закаленная сталь типа У8 с содержанием углерода 0,77 % будет имеет смешанную реечно-пластинчатую структуру мартенсита и содержать 6-10 % остаточного аустенита. Вообще говоря, это очень трудно увидеть в оптический микроскоп остаточный аустенит между мартенситными пластинами до тех пор, пока его содержание не станет около 10 %.
