Характер структурных изменений при отпуске углеродистых сталей зависит от температуры и продолжительности отпуска и содержания углерода в стали. С повышением содержания углерода в аустените возрастает пересыщенность α-раствора, снижается температура Мн, происходит переход от реечного мартенсита к пластинчатому (двойникованному) и увеличивается количество остаточного аустенита. Все это сказывается на процессах отпуска.
Сегрегация углерода в кристаллах мартенсита является первым структурным изменением при отпуске углеродистых сталей.
Экспериментально выявлены два разных по природе процесса сегрегации углерода: образование примесных атмосфер на дефектах решетки мартенсита и возникновение кластеров.
Дефекты кристаллической решетки — энергетически более выгодные места для атомов углерода, чем нормальные позиции этих атомов в решетке мартенсита. Атомы углерода упруго притягиваются к дислокациям и дислокационным стенкам. Сегрегации углерода образуются на структурных несовершенствах при комнатной температуре сразу после закалки и даже в период закалочного охлаждения от температуры Мн до комнатной.
Следовательно, в период закалочного охлаждения в мартенситном интервале, особенно сталей с высокой точкой Мн (малоуглеродистых), развивается самоотпуск. Для насыщения атмосфер на дислокациях в мартенсите требуется примерно 0,2% С.
Другой процесс сегрегации не связан с притяжением атомов углерода к структурным несовершенствам. При комнатной температуре атомы углерода в мартенсите образуют кластеры вдоль плоскостей {100}, а в пластинчатом мартенсите — вдоль плоскостей двойникования {112}. При повышении температуры отпуска до 100 °С эти кластеры укрупняются.
Образование кластеров углерода можно трактовать как зонную стадию распада раствора, аналогичную концентрационному расслоению при старении твердых растворов замещения.
Ю. А. Скаков подчеркивает, что образование зон, обогащенных углеродом, следует рассматривать не как подготовительную стадию процесса выделения карбида. В связи с тем что состояние твердого раствора на зонной стадии распада более стабильно, чем состояние однородного пересыщенного раствора, то само по себе концентрационное расслоение (образование зон, обогащенных углеродом) может и не ускорять выделения карбидной фазы.
Выделение промежуточных карбидов из мартенсита — следующая после сегрегации углерода стадия структурных изменений при отпуске. Начиная примерно с температуры 100 °С, экспериментально обнаруживается метастабильный ε-карбид. Этот карбид отличается от цементита типом решетки (гексагональная у ε-карбида, ромбическая у цементита) и пониженным содержанием углерода (вероятная формула ε-карбида Fe2,4C).
В сталях, содержащих менее 0,2% С, выделение ε-карбида при отпуске подавлено, так как большая часть атомов углерода связана с дислокациями.
По отношению к матрице ε-карбид ориентирован так, что (0001) ε // (011) м, чем обеспечивается когерентность на границе раздела фаз. При низких температурах ε-карбид выделяется в виде очень дисперсных пластин или стержней.
С повышением температуры или увеличением продолжительности отпуска частицы ε-карбида укрупняются, на границе его раздела с мартенситом накапливаются упругие деформации и граница из когерентной может превратиться в полукогерентную (смотрите Роль строения межфазных границ при фазовых превращениях).
Предпочтительное образование промежуточного ε-карбида вместо более стабильного цементита Fe3C можно объяснить тем, что на границе мартенсита с ε-карбидом сопряжение решеток лучше и, следовательно, поверхностная энергия ниже, чем на границе матрицы с цементитом.
Одновременно с ε-карбидом в интервале 100 — 200 °С образуется небольшое количество «низкотемпературного» цементита, который отличается от цементита отожженной стали параметрами ромбической решетки. Такой цементит выделяется в двойникованном мартенсите, в то время как ε-карбид — в недвойникованном.
Недавние исследования структуры карбида низкого отпуска (120 °С) с использованием электронной микродифракции показали, что первой фазой, выделяющейся из высокоуглеродистого мартенсита, является не гексагональный ε-карбид, как это широко принято считать, а η-карбид с ромбической решеткой (возможная формула Fe2C).
Структуры обоих метастабильных карбидов очень близки. В частности, расстояния между плотноупакованными слоями из атомов железа в обоих карбидах заметно не различаются.
Решетка метастабильного η-карбида, как и ε-карбида, может очень хорошо сопрягаться с решеткой мартенсита. Эта близость в строении η- и ε-карбида затрудняет идентификацию истинной структуры первой выделяющейся фазы.
В высокоуглеродистых сталях при температурах отпуска 250 — 350 °С выделяется промежуточный карбид с моноклинной решеткой (возможная формула Fe5C2). Решетка χ-карбида хорошо сопрягается с решеткой мартенсита по плоскостям двойникования {112} м. Поэтому %карбид образуется в двойникованном мартенсите, характерном для высокоуглеродистых сталей.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков