Структура и свойства закаленной стали
По структуре железоуглеродистых сплавов различают в основном мартенсит двух морфологических типов: реечный и пластинчатый (рис. 4.15).
Реечный мартенсит имеется в закаленных низко- и среднеуглеродистых, конструкционных легированных сталях. Кристаллы этого мартенсита имеют форму тонких реек, вытянутых в одном направлении с габитусными гранями. Иногда эти рейки объединены в группы (плиты). Реечные кристаллы расположены параллельно один к другому. Ширина реек 0,1 - 0,2 мкм, соседние кристаллы мартенсита разделены между собой границей. Пластинчатый (игольчатый) мартенсит образуется в средне- и высокоуглеродистых сталях и высоконикелевых сплавах. Обычно отдельные кристаллы мартенсита представляют собой пластины в разрезе линзы, толщина которых на порядок меньше их длины и ширины. Пластинчатые кристаллы появляются в виде зигзагов или ферм. Первые пластины мартенсита пересекают все зерно, ограничивая размеры последующих. Размеры их тем меньше, чем позже они образуются (рис. 4.16). Характерной особенностью пластин а-мартенсита является наличие неровностей и выступов на границе мартенситного кристалла, средней линии мидриба, несплошностей, микротрещин, следов скольжения. Размеры пластин и реек мартенситных кристаллов определяются исходным зерном
Рис. 4.15. Реечный (а) и пластинчатый (игольчатый) (б) мартенсит
Рис. 4.16. Образование мартенсита: а - начальная; б - промежуточная стадия
аустенита: чем меньше размеры зерна, тем меньше размеры кристаллов мартенсита. При мелком исходном зерне аустенита образуется мартенситная структура без видимого игольчатого строения, иногда называемая бесструктурным мартенситом.
Кристаллы мартенсита состоят из фрагментов размером 0,1 - 1 мкм и их разориентировкой 5 - 10°. Фрагменты в свою очередь состоят из ячеек размером 100 - 200А и с разориентировкой 1 - 2°. Границы последних образованы дислокационными сетками. Плотность дислокаций около 10" см-2 даже у стали с содержанием углерода 0,28%. С повышением содержания углерода средний размер ячеек уменьшается почти в два раза: с 80 - 100А до 40 - 50А. Пластическая деформация закаленной стали с 0,28% С дополнительно уменьшает размер ячеек до 40А. Наличие углерода в решетке a-железа вызывает значительные статические и динамические искажения. Статические искажения наибольшие для атомов, являющихся непосредственными соседями атома углерода. Динамические искажения объясняются тем, что с увеличением содержания углерода возрастает среднеквадратическое отклонение при тепловых колебаниях в решетке мартенсита. Это свидетельствует об ослаблении сил междуатомных связей, причем тем больше, чем выше содержание углерода. Эффективный модуль упругости закаленной стали почти в два раза ниже, чем отожженной, и тем меньше, чем больше содержание углерода.
Мартенсит закаленной стали характеризуется повышенным сопротивлением деформации (косвенно характеризуемой твердостью). Твердость мартенсита тем больше, чем выше содержание углерода в нем. Повышение сопротивления пластической деформации мартенсита обусловлено следующими факторами:
- следствием взаимодействия полей напряжений атомов углерода с полями напряжений дислокаций;
- малыми размерами «пакета», образованного почти одинаково ориентированными мартенситными пластинами («рейками»), разделенными малоугловыми дислокационными границами;
- малыми размерами субструктуры;
- образованием атмосфер атомов углерода на дислокациях;
- высоким пределом упругой деформации самих кристаллов мартенсита, связанным с искажением кристаллографической решетки, вызванным наличием углерода.
Уменьшение межатомных связей с увеличением содержания углерода в мартенсите приводит к соответствующему понижению сопротивления хрупкому разрушению (рис. 4.17). В зависимости от содержания углерода структура закаленной стали может быть различной. В углеродистых сталях с содержанием углерода менее 0,5 - 0,6% образуется отпущенный мартенсит. остаточного аустенита нет. В сталях с содержанием углерода более 0,5 - 0,6% может образоваться неотпущенный мартенснт и имеется остаточный аустенит.
Все указанные структурные особенности закаленной стали вызывают и соответствующее изменение свойств. Плотность, электропроводность, магнитные свойства, механические свойства зависят от содержания углерода.
