Отпуск мартенситностареющих сталей

Мартенситностареющие стали — это безуглеродистые сплавы на базе системы Fe — Ni, легированные дополнительно кобальтом, молибденом, титаном и другими элементами.

Типичный пример — сплав железа с 17 — 19% Ni, 7 — 9% Со, 4,5 — 5% Мо и 0,6 — 0,9% Ti (Н18К9М5Т). Сплавы этого типа после воздушной закалки на мартенсит подвергают отпуску при 480 — 500 °С.

Отпуск приводит к сильному дисперсионному твердению вследствие выделения интерметаллидов из мартенсита, пересыщенного легирующими элементами. По аналогии с дисперсионным твердением алюминиевых, медных и других сплавов этот процесс термообработки был назван старением, а так как исходной структурой является мартенсит, то сами стали были названы мартенситностареющими.

Ранее (Закалка с обработкой холодом) было условлено термин «старение» применять только к сплавам, подвергаемым закалке без полиморфного превращения, а термин «отпуск» — ко всем сплавам, закаливаемым на мартенсит. Чтобы не нарушать принятой классификации и единства терминологии, будем относить процессы распада мартенсита в мартенситностареющих сталях к отпуску, хотя сочетание слов «отпуск мартенситностареющих сталей» является не лучшим вариантом.

В структуре промышленных мартенситностареющих сталей на стадии максимального упрочнения находятся частично когерентные выделения промежуточных метастабильных фаз Ni3Mo и Ni3Ti или Ni3 (Mo, Ti). Фаза Ni3Ti с г. п. решеткой подобна гексагональному ε-карбиду в углеродистых сталях. Как и частицы ε-карбида, выделения Ni3Ti в мартенситностареющих сталях ориентированы по отношению к мартенситу так, что (0001)Ni3Ti || (011) м.

Для практики особенно ценно, что частицы промежуточных интерметаллидов в мартенситностареющих сталях очень дисперсны. Это в значительной мере обусловлено выделением их на дислокациях.

Структура мартенситностареющих сталей характеризуется высокой плотностью дислокаций, появляющихся при мартенситной перестройке решетки. В реечном (недвойникованном) мартенсите плотность дислокаций измеряется величиной порядка 1011 — 1012 см—2, т. е. такой же, как в сильно наклепанном металле. Этим субструктура мартенситностареющих сталей в закаленном состоянии резко отличается от субструктуры алюминиевых, медных и других сплавов, подвергаемых закалке без полиморфного превращения.

Предполагают, что при отпуске мартенситностареющих сталей выделению промежуточных фаз предшествует сегрегация атомов легирующих элементов на дислокациях. Атмосферы на дислокациях служат центрами последующего концентрационного расслоения мартенсита, пересыщенного легирующими элементами.

В мартенситностареющих сталях дислокационная структура, сформировавшаяся в процессе мартенситного превращения, очень устойчива во время последующего нагревания и практически не меняется при оптимальных температурах отпуска (480 — 500 °С). Сохранение высокой плотности дислокаций в течение отпуска может быть в значительной мере обусловлено закреплением дислокаций дисперсными выделениями.

Длительная выдержка при отпуске на более высокие температуры (550 °С и выше) приводит к огрублению выделений и увеличению межчастичного расстояния. Одновременно снижается плотность дислокаций. При длительных выдержках полукогерентные выделения промежуточных интерметаллидов сменяются более грубыми некогерентными выделениями стабильных фаз Лавеса типа Fe2Ni и Fe2Mo.

В мартенситностареющих сталях при повышении температуры отпуска (выше ~ 500 °С) может произойти обратное мартенситное превращение α → γ, так как точка Ан близка к оптимальным температурам отпуска (смотрите рисунок Зависимость температур начала мартенситного превращения). Образование аустенита сопровождается растворением интерметаллидов, ранее выделившихся из α-фазы.

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

Изменение свойств легированных сталей

Легирующие элементы, затрудняющие распад мартенсита и коагуляцию карбидов (смотрите Структурные изменения при отпуске сталей), смещают температурную границу начала интенсивного разупрочнения при отпуске с 200 — 300 до 450 — 550 °С. Повышение красностойкости закаленной стали, т. е. способности ее сопротивляться смягчению при нагревании, — одна из основных целей легирования в производстве инструмента. Для конструкционных легированных…

Отпускная хрупкость

Отпускная хрупкость присуща многим сталям. Сталь в состоянии отпускной хрупкости характеризуется низкой ударной вязкостью. На других механических свойствах при комнатной температуре состояние отпускной хрупкости практически не сказывается. На рисунке схематично показано влияние температуры отпуска на ударную вязкость легированной стали, в сильной степени склонной к отпускной хрупкости. Во многих легированных сталях наблюдаются два температурных интервала отпускной…

Изменение свойств мартенситно-стареющих сталей

Характер зависимости механических свойств мартенситно-стареющих сталей от температуры отпуска такой же, как у всех дисперсионно-твердеющих сплавов: рост прочностных свойств, достижение максимума упрочнения и затем разупрочнение. По аналогии со старением можно выделить стадии упрочняющего и разупрочняющего отпуска. Упрочнение вызвано образованием сегрегаций на дислокациях и, главное, частично когерентных выделений промежуточных фаз типа Ni3Ti и Ni3Mo. Разупрочнение связано,…

Изменение механических свойств при отпуске сталей и выбор режима отпуска

Изменение свойств углеродистых сталей Закаленная углеродистая сталь характеризуется не только высокой твердостью, но и очень большой склонностью к хрупкому разрушению. Кроме того, при закалке возникают значительные остаточные напряжения. Поэтому закалку углеродистых сталей обычно не применяют как окончательную операцию, хотя она и может сообщить стали высокую прочность (σв = 130 / 200 кгс/мм2). Для увеличения вязкости…

Температуры отпуска

По температуре нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск на отпущенный мартенсит (120 — 250 °С) широко применяют после закалки инструментов, цементованных и цианированных изделий и после поверхностной закалки. Цель низкого отпуска — уменьшение остаточных закалочных напряжений; температуру низкого отпуска выбирают такой, чтобы твердость и износостойкость не снизились или слабо снизились. Выдержка при…