ЗАО «Камышинский литейно-ферросплавный завод»

 ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ТВЕРДОГО РАСТВОРА


а. Две стадии распада мартенсита
Рентгенографические исследования изменений кристаллической структуры закаленной стали, обусловливающих эффекты изменения свойств в области температуры отпуска 100 —150°, показали, что последние связаны с уменьшением отношения осей тетрагональной решетки мартенсита и, следовательно, с выделением углерода из твердого раствора. В результате этого процесса возникает состояние стали с неоднородной тетрагональной структурой, с малым отношением осей тетрагональной решетки. Этот процесс является первой стадией распада мартенсита при отпуске. Отпуск в области температур 150 —300° приводит к постепенному уменьшению степени неоднородности и величины отношения осей, т. е. к дальнейшему постепенному выделению углерода из твердого раствора. Такое заключение вытекало из исследования изменений размытости линий при отпуске сталей с различным содержанием углерода —от 0,1 до 1,4%. Характер обеих стадий распада мартенсита был более детально выяснен при исследованиях отпуска закаленных монокристаллов. Благодаря закономерной ориентировке решетки мартенсита по отношению к исходному аустениту можно было исключить трудности, связанные с наложением линий дублетов тетрагональной решетки. Оказалось, что первая стадия распада имеет так называемый двухфазный характер. Наряду с твердым раствором исходной концентрации появляется твердый раствор, содержащий около 0,3% С. По мере протекания отпуска количество второго раствора растет за счет исходного. Кинетика двухфазного распада исследовалась при температурах 80, 100 и 120°. Скорость процесса можно характеризовать временем полураспада, т. е. временем, когда количество обоих твердых растворов становится одинаковым.


Для указанных выше температур и для комнатной температуры значения этой величины определены непосредственно из эксперимента, а остальные —вычислены по данным о температурной зависимости скорости распада.


При изучении отпуска электролитически изолированного порошка мартенсита было обнаружено, что наряду с двухфазным распадом имеет место и однофазный. Первое устанавливалось по изменению соотношения интенсивности линии тетрагональных дублетов, а второе —по изменению) их расстояния подобно тому, как это наблюдалось ранее для отпуска закаленных порошков стали. Отсюда следует, что характер первой стадии распада может несколько изменяться в зависимости от некоторых условий.
Возникающий в результате первой стадии распада твердый раствор в основной массе имеет тетрагональную решетку с отношением осей 1,012 —1,013. Этому отношению соответствует около 0,25 —0,3% С по кривой зависимости с/а от концентрации углерода для закаленных сталей. Твердый раствор с этой концентрацией обладает гораздо большей устойчивостью, чем исходный раствор. Дальнейшее уменьшение содержания углерода в растворе при температурах 100 —150° идет весьма медленно.


Процесс постепенного выделения углерода, представляющий вторую стадию распада мартенсита, распространяется на область температур 150 —300°. В течение первых часов выдержки при данной температуре содержание углерода в растворе достигает некоторого значения, которое мало меняется при увеличении выдержки. Остающееся в растворе количество углерода для разных температур отпуска оценивалось по изменению ширины линий, по изменению объема и по изменению отношения осей тетрагональной решетки. Точность этих определений невелика. Данные, полученные по ширине линий, представляют собой завышенные значения, а данные, полученные по отношению осей, —заниженные. После часового отпуска при 300° в средне - и высокоуглеродистых сталях, по-видимому, еще остается в твердом растворе около 0,1% С.


В сталях, содержащих 0,4% С и менее, отсутствуют эффекты первого превращения при отпуске на кривых изменения свойств. Отсутствие распада подтверждается и кривыми изменения ширины линии при отпуске. По-видимому, в этих сталях отсутствует двухфазная стадия распада и происходит постепенное выделение углерода, распространяющееся на широкую область температур. Из данных об изменении ширины линии при отпуске можно заключить, что в закаленной углеродистой стали с 0,1% С выделение углерода начинается лишь при отпуске выше 250°, а в сталях с 0,2 и 0,3% С соответственно выше 200° и выше 150°.


Влияние легирующих элементов на процесс выделения углерода из твердого раствора
Скорость протекания первой стадии распада мало меняется при введении легирующих элементов. Время полураспада несколько увеличивается. Однако для получения такого же времени полураспада, как в углеродистой стали, температуру требуется изменить всего на несколько градусов.


Что касается второй стадии распада, то наличие легирующих элементов может приводить к ее расширению в сторону высоких температур на десятки и сотни градусов. Для углеродистой стали тетрагональную решетку можно наблюдать при температуре не выше 275 —300°. Для сталей же, содержащих некоторые легирующие элементы, она сохраняется до 400, 450 и даже 500° ; отсюда следует, что наличие этих элементов приводит к повышению устойчивости пересыщенного твердого раствора углерода в а - железе при малом содержании углерода. Наоборот, наличие Мп и Ni несколько понижают устойчивость этого раствора.


Подтверждением такого вывода являются данные по отпуску сталей, содержащих менее 0,2% С, легированных некоторыми элементами. В сталях с 0,1% С, содержащих Ti, V, Mo, распад задерживается до 400 —500°, а в области 500 —550° распад идет с образованием специальных карбидов и повышением твердости.


Высокая устойчивость малоуглеродистых сталей, содержащих некоторые легирующие элементы, была использована для изучения механизма изотермического распада аустенита в бейнитной области.


Микронапряжения и области когерентного рассеяния
Применение монокристальных образцов и выбор отражений от граней с нулевым третьим индексом позволили исключить влияние на размытость интерференции двух факторов: слияния дублетов тетрагональной решетки и неоднородности концентрации твердого раствора. Как показало исследование, оба эти фактора практически уже не оказывают влияния на размытость линий поликристаллической стали при температурах выше 250°. Учет различной угловой зависимости ширины линий от микронапряжений и от малости областей когерентного рассеяния сделал возможным приблизительно оценить эти характеристики и их изменения при отпуске закаленной углеродистой стали.
Размеры областей когерентного рассеяния заметно растут лишь при температурах выше 350°, однако они вызывают еще некоторую размытость линий и при отпуске 500 —550°. Микронапряжения несколько снижаются при 150 —200°, однако остаются еще высокими до 300°. В интервале 300 —450° происходит сильное падение микронапряжений, и после отпуска при 500° они не обнаруживаются примененным методом. При отпуске в области температур 350400° размытость линии приближается к той, которая возникает при холодной пластической деформации отожженной стали.