15. Перетворення сталі при охолодженні.

Якщо нагріту до аустенітного стану сталь охолоджувати, то аустеніт бу­де перетворюватися з утворенням різних мікроструктур. Порівняно невисокі швидкості охолодження призводять до утворення ферито-цементитних сумі­шей, більші швидкості — до утворення пересичених твердих розчинів. При цьому властивості сталі будуть істотно розрізнятись між собою.

В результаті охолодження сталі з дуже великою швидкістю і перетво­рення у-заліза в а-залізо без змін концентрації вуглецю (бездифузійний про­цес) утвориться структура загартованої сталі — мартенсит.

Мартенсит — це кристалічна структура твердого пересиченого роз­чину проникнення вуглецю в а-залізі. Значне пересичення твердого розчину вуглецем створює більші внутрішні напруження і призводить до одержання центрованих тетрагональних решіток з параметрами а и с (рис. 3.6), де атом вуглецю перебуває в центрі грані основи тетрагональної призми. Від­ношення с/а характеризує ступінь тетрагональності мартенситу. Параметри а й с тісно пов'язані із вмістом вуглецю в мартенситі.

Мартенситне перетворення здійснюється шляхом орієнтованого перемі­щення атомів основних кристалічних решіток, що призводить до перебудови гранецентрованої решітки у-заліза в об'ємноцентровану а-заліза. Воно, як і ферито-перлітне перетворення, є фазовим і підкоряється всім законам фазо­вого перетворення. Причиною мартенситного, як і фазового перетворення, є прагнення системи (аустеніту), що має більшу вільну енергію, перейти до си­стеми (мартенситу), що має менше значення вільної енергії (див. рис. 3.1) в області температур перетворення від точки М_п до точки М_к(див. рис. 3.7). У цих умовах переміщення атомів дуже ускладнюється і процес стає бездифу-зійним. Однак для здійснення мартенситного перетворення в сталі її охоло­дження необхідно проводити зі швидкістю не нижче критичної.

Критична швидкість гартування У_к — це найменша швидкість пере­охолодження аустеніту в зону мартенситного перетворення сталі, при якій не можуть відбуватися дифузійні процеси, а перетворення іде з утворенням тільки мартенситної структури. Ця швидкість для кожної марки сталі різна. Вона визначається за діаграмою ізотермічного перетворення аустеніту.

На величину критичної швидкості впливає, головним чином, хімічний склад аустеніту (рис. 3.8), однорідність системи й розмір аустенітних зерен.

Легуючі елементи, що збільшують стійкість переохолодженого аустені­ту, а також збільшення однорідності системи й розміру зерна аустеніту зни­жують критичну швидкість охолодження сталі.

Карбіди або неметалічні включення (сульфіди), які зменшують стійкість аустеніту, сприяють збільшенню критичної швидкості охолодження.

Таким чином, перетворення аустеніту в мартенсит має ряд особливос­тей, основними з яких є наступні:

а) перебудова решітки Ре_у ГЦК у решітку Ре_а ОЦК відбувається за зсувовим механізмом без виділення вуглецю із решіток а-заліза;

б) мартенситне перетворення протікає в інтервалі температур М_п і М_к, які залежать від вмісту вуглецю в сталі;

в) у точці М_к перетворення практично зупиняється і не доходить до кінця, що призводить до того, що в загартованій сталі крім мартенситу зберігається залишковий аустеніт;

г) дуже високі швидкості росту (до 1000 м/с) мартенситних кристалів;

д) необоротність мартенситного перетворення (М—>А при нагріванні не від­ бувається), тому що нагрівання мартенситу приводить до утворення ферито- цементитних сумішей;

є) структура мартенситу має характерну голчасту будову, однак голки явля­ють собою поперечний переріз пластин;

ж) величина мартенситних кристалів залежить від величини зерна аус­теніту: із дрібнозернистого аустеніту утвориться дрібноголчастий мартен­сит, із грубозернистого — крупноголчастий.

Залишковий аустеніт у результаті релаксації напруг піддається стабілі­зації, тобто стає більш стійким у порівнянні з первісним станом. У цьому випадку для повного перетворення аустеніту в мартенсит необхідно сталь піддати охолодженню в області мінусових температур, тобто піддати обро­бці холодом.

Мартенсит має високу твердість і міцність, низьку пластичність й у порівнянні з іншими структурами, має найбільший питомий об'єм.

Висока твердість мартенситу обумовлюється наявністю в а-решітках великої кількості дислокацій й інших дефектів кристалічної будови.

Низька пластичність, як вважають, пов'язана з утворенням атмосфер Коттрелла з атомів вуглецю на дефектах решітки мартенситу.

Збільшення питомого об'єму мартенситу викликано перенесенням твердого а-розчину вуглецем. Це призводить до появи більших внутрішніх напружень, які є причиною деформації загартованих деталей і появи в них тріщин.