Основы теории термической обработки стали

Характерно, что при превращении решетки  А→М смещения атомов железа носят  закономерный характер в определенных направлениях по отношению к своим  соседям. В результате таких перемещений  атомов в одну и ту же сторону  получается реальный сдвиг. Такой механизм роста кристаллов получил ; название сдвигового механизма роста.

Рис. 6. Схема  соотношения между решеткой старой и новой фазы при мартенситном превращении: а – период роста, сохранение порядка на границе; б – прекращение  роста, беспорядок на границе (Г. В. Курдюмов)

Ориентированный когерентный рост кристаллов мартенсита обеспечивает минимальную поверхностную  энергию растущих кристаллов мартенсита и обусловливает термодинамическую  экономичность процесса.

При когерентном  росте кристалла мартенсита ввиду  значительного различия в объемах  аустенита и мартенсита возникают  большие напряжения как в кристаллах аустенита, так и в кристаллах мартенсита. При достижении определенной величины мартенситного кристалла  эти напряжения достигают значения предела текучести аустенита. Поэтому  в последнем происходит пластическая деформация, приводящая к нарушению  когерентной связи решеток и  отрыву решетки мартенсита от решетки  аустенита (рис. 3, б), вследствие чего дальнейший рост мартенситного кристалла прекращается.

Специфические особенности сдвигового механизма  роста мартенситных кристаллов объясняют  особенности мартенситного превращения  стали при закалке.

Такими особенностями  являются: 1) бездиффузионный механизм 2) ориентированность мартенситных кристаллов относительно старой фазы; 3) очень большие скорости роста (порядка 10...1000 м/с) мартенситных кристаллов; 4) необратимость  мартенситного превращения; 5) Очень  ограниченное протекание процесса в  изотермических условиях и необходимость  непрерывного охлаждения для развития процесса.

5. Механические свойства стали  с мартенситной структурой

В табл. 2 приведены  механические свойства стали 40 (0,4 % С) после термообработки (отпуска, закалки и отпуска).

Таблица 2

Как видно  из табл. 2, характерными свойствами стали  с мартенситной структурой являются высокая твердость и малая  пластичность. Установлено, что твердость  мартенсита зависит от содержания углерода в стали и мало изменяется от наличия  легирующих элементов (рис. 7)

Рис. 7. Влияние  содержания углерода на твердость HRC мартенсита.

Хрупкость стали  увеличивается с увеличением  содержания углерода укрупнением мартенситных игл. Последняя имеет место при  закалке стали с крупным зерном аустенита.

Высокую твердость  мартенсита Г. В. Курдюмов объясняет  мелкоблочным строением мартенситных кристаллов, границы которых сильно затрудняют перемещение дислокации.

Сильно развитая блочная структура закаленной малоуглеродистой стали является основной причиной её высокой статической прочности; роль углерода в этом незначительна. В высокоуглеродистой стали упрочняющая  роль углерода весьма велика.

Установлено, что в закаленной малоуглеродистой стали при деформации дислокации некоторых типов отличаются большой  подвижностью; они способствуют деформации стали без образования при  этом трещин.

В кристаллах мартенсита высокоуглеродистой стали  установлено образование двойников. Считается, что у этих сталей барьерами  для дислокаций являются границы  двойников, перед которыми дислокации скапливаются и создают очаг зарождения трещины. Этим объясняется высокая  хрупкость закаленной высокоуглеродистой стали. Атомы углерода в решетке  мартенсита оказывают дополнительное сопротивление движению дислокаций  и, главное, придают температурную зависимость. Этим объясняют склонность закаленной углеродистой стали к хладноломкости.

Эти выводы имеют  существенное значение при создании новых высокопрочных безуглеродистых  сплавов типа мартенсито-стареющих, в которых высокий комплекс прочности  и вязкости достигается мартенситной структурой, в которой отсутствует  тормозящая роль примесей внедрения(в  частности, углерода).

Наличие в  структуре высокоуглеродистых и  некоторых легированных сталей большого количества остаточного аустенита  уменьшает твердость, износостойкость  и прочность стали. Остаточный аустенит Аост оказывает отрицательное влияние  и на некоторые другие свойства (уменьшается  стабильность размеров деталей, ухудшается шлифуемость и т. д.).

Вязкость  закаленной углеродистой стали невелика из-за неоднородности мартенсита, что  приводит к концентрации напряжений. Вследствие этого возможно образование  микротрещин, накопление которых приводит к потере пластичности и к хрупкому разрушению стали.

Легирование стали, как правило, сопровождается повышением однородности структуры, благодаря  чему повышается истинная пластичность е и возрастает сопротивление вязкому разрушению SК. Этим же определяется повышение сопротивления хрупкому разрушению Sот легированных сталей в закаленном состоянии.

Сопротивление отрыву Sот закаленной стали резко понижается с увеличением содержания углерода. Так, при С=0.42 % сопротивление отрыву Sот = 1740 МПа, а при С=0.77 % составляет Sот = 630 МПа.