Термическая стабилизация

Под стабилизацией исходной фазы понимают затруднение ее превращения в мартенсит в результате теплового (термическая стабилизация), механического (механическая стабилизация) или любого другого воздействия. 

Термическая стабилизация аустенита, которую обычно называют просто стабилизацией, наблюдается при временной остановке охлаждения железного сплава в мартенситном интервале атермического превращения. Если прервать охлаждение при температуре Тп < Мн (но выше Мк) и сделать здесь выдержку, то аустенит стабилизируется.

Стабилизация проявляется в том, что по возобновлении охлаждения превращение начинается не сразу при температуре Тп, а после переохлаждения аустенита (гистерезиса) до некоторой температуры Мн.

При этом мартенсита часто образуется меньше по сравнению с непрерывным охлаждением (мартенситная кривая 2 на рисунке идет ниже кривой 1) и количество остаточного аустенита возрастает. Возобновляющееся при температуре Мн мартенситное превращение может протекать взрывообразно (например, в сплавах Fe — Ni — С).


Мартенситные кривые при разной стабилизации аустенита

Мартенситные кривые при разной стабилизации аустенита

Мартенситные кривые при разной стабилизации аустенита:

Т — температура, при которой охлаждение прерывают и проводят выдержку;
1 — кривая непрерывного охлаждения;
2 и 3 — кривые, соответствующие разной выдержке (τ) при температуре Тп, причем τ3 > τ2.


Наиболее простой случай термической обработки, включающей стабилизацию аустенита, можно наблюдать, когда точка Мн находится выше, а Мк — ниже комнатной температуры причем Тп = 2:0 °С.

Так, выдержка углеродистой стали при комнатной температуре после обычной закалки в воде стабилизирует аустенит, затрудняя мартенситное превращение при последующем охлаждении стали в области отрицательных температур и увеличивая количество остаточного аустенита после такой обработки. Поэтому изучение закономерностей термической стабилизации аустенита представляет интерес для технологии обработки стали холодом (смотрите Нагрев и охлаждение при закалке сталей).

Мерой эффекта стабилизации часто служит температурный гистерезис θ = Тп — Мн.

Степень стабилизации аустенита зависит от температуры прерывания охлаждения Тп и выдержки при этой температуре. Если же после прерывания охлаждения сплав был нагрет до некоторой температуры Тс > Тп, то степень стабилизации θ зависит от Тс и времени выдержки при этой температуре.

С понижением т. е. с ростом количества мартенсита, присутствующего при стабилизирующей выдержке, степень стабилизации возрастает. Более сложно влияние времени выдержки. С увеличением времени выдержки при температуре Тп или Тс степень стабилизации может непрерывно возрастать (кривые 2 и 3 на рисунке). При достаточно высоких температурах увеличение времени выдержки сначала приводит к росту, а затем к уменьшению степени стабилизации. Чем выше температура Тс, тем быстрее достигается максимум θ. 

На стали с 1,4% С и 5% Ni было обнаружено, что величина θ с увеличением времени выдержки при температуре Тс после прохождения через максимум снижалась и становилась отрицательной. Это означает, что большие выдержки после прерывания охлаждения приводили не к стабилизации (Мн < Тп), а к противоположному эффекту — активированию мартенситного превращения (Мн > Тп).

Термическая стабилизация аустенита — сложный процесс. Вполне возможно, что в разных случаях, например в разных температурных интервалах, действуют разные механизмы стабилизации.

В термическую стабилизацию при температурах ниже точки Мн определенный вклад может внести релаксация упругих напряжений в аустенитной матрице вокруг мартенситных пластин. Эти напряжения, как уже отмечалось, вызывают автокаталитический эффект, свойственный всем мартенситным превращениям.

Уменьшение упругих напряжений вокруг мартенситных кристаллов хорошо объясняет повышение степени стабилизации с увеличением времени выдержки, но не может объяснить снижения θ при больших выдержках.

Для понимания природы стабилизации аустенита весьма важно, что термическая стабилизация наблюдается только в тех сплавах на основе железа, которые содержат, хотя бы и в сравнительно небольшом количестве, элементы внедрения: углерод и азот. Поэтому почти все современные гипотезы механизма термической стабилизации аустенита исходят из предположения о решающей роли сегрегации атомов углерода или азота.

Атомы элементов внедрения во время стабилизирующей выдержки могут сегрегировать в потенциальные участки зарождения в аустените, препятствуя превращению этих участков в зародыши мартенсита. Они могут сегрегировать на межфазную границу матрицы и зародыша, препятствуя его росту.

Весьма убедительна гипотеза, связывающая термическую стабилизацию с деформационным старением — образованием сегрегаций из внедренных атомов на дислокациях в аустените. Так как образование мартенситного кристалла вызывает пластическую деформацию аустенитной матрицы, то упрочнение ее при деформационном старении затрудняет мартенситное превращение.

Развитие деформационного старения аустенита с увеличением времени выдержки при температуре Тс объясняет рост θ. Уменьшение эффекта стабилизации с дальнейшим увеличением времени выдержки легко объяснить перестариванием (смотрите Выбор режима старения), с которым связано падение предела текучести аустенита.

Достижение отрицательных значений 0 можно связать с далеко зашедшим перестариванием, которое, во-первых, сильно разупрочняет аустенит и, во-вторых, может привести к обеднению аустенита углеродом вблизи выделений карбида. Такие обедненные углеродом участки имеют повышенную температуру Мн. С повышением температуры Тс деформационное старение ускоряется и соответственно ускоряется достижение максимума θ.

Рассмотренное в Термодинамике мартенситных превращений, снижение температуры Мн при переходе от чрезвычайно больших скоростей охлаждения выше этой температуры к обычным скоростям закалки в воде также является результатом стабилизации аустенита из-за предполагаемого закрепления дислокаций сегрегациями атомов углерода.

Термическая стабилизация проявляется при мартенситном превращении не только в железных, но и в других сплавах. Так, в сплаве меди с 15% (ат.) Sn, закаленном в воде, при охлаждении в жидком азоте развивается атермическое превращение. Если после закалки в воде сделать выдержку при комнатной температуре, то при последующем охлаждении точка Мн и количество образовавшегося мартенсита оказываются пониженными и в тем большей степени, чем дольше была выдержка.

Четырехдневная выдержка полностью подавляет мартенситное превращение. Одной из причин этой термической стабилизации может быть постепенно развивающаяся при комнатной температуре сегрегация атомов олова в исходной фазе, затрудняющая образование и рост зародышей мартенсита.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Способы закалки

Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650 — 400 °С и медленное охлаждение выше и главным образом ниже этого интервала, то применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения. Закалка через воду в масло Закалка через воду в масло (закалка в двух средах): 1 — нормальный режим;…

Закалка с обработкой холодом

Во многих сталях мартенситный интервал (Мн — Мк) простирается до отрицательных температур (смотрите рисунок Зависимость температур). В этом случае в закаленной стали содержится остаточный аустенит, который можно дополнительно превратить в мартенсит, охлаждая изделие до температур ниже комнатной. По существу такая обработка холодом (предложена в 1937 г. А. П. Гуляевым) продолжает закалочное охлаждение, прерванное при комнатной…

Охлаждение при закалке

Режим охлаждения при закалке должен прежде всего обеспечить необходимую глубину прокаливаемости. С другой стороны, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали сильные закалочные напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температур по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных…

Поверхностный нагрев под закалку

Многие изделия должны иметь высокую поверхностную твердость, высокую прочность поверхностного слоя и вязкую сердцевину. Такое сочетание свойств на поверхности и внутри изделия достигается поверхностной закалкой. Для поверхностной закалки стального изделия необходимо нагреть выше точки Аc3 только поверхностный слой заданной толщины. Этот нагрев должен совершаться быстро и интенсивно, чтобы сердцевина вследствие теплопроводности также не прогрелась до…

Нагрев и охлаждение при закалке сталей

Сквозной нагрев под закалку Превращения в стали при нагревании описаны в Образовании аустенита при нагревании. Температуры нагрева под закалку углеродистых сталей можно выбрать по диаграмме состояния. Доэвтектоидные стали закаливают с температур, превышающих точку А3 на 30 — 50 °С. Наследственно мелкозернистая сталь допускает более высокий нагрев. При перегреве наследственно крупнозернистой стали закалка дает структуру крупноигольчатого…