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

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…

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…

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…