Мартенсит отпуска

Мартенсит отпуска — это структура, образующаяся в результате термической обработки закалённой стали, а именно в процессе отпуска при температурах ниже 200–250 °C. Представляет собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе (феррите), из которого углерод частично выделился в виде мелкодисперсных карбидов. Мартенсит отпуска отличается от обычного мартенсита закалки меньшей степенью тетрагональности (искажения кристаллической решётки) и несколько иными механическими свойствами, в первую очередь — повышенной вязкостью при сохранении высокой твёрдости.

История изучения

Явление отпуска закалённой стали было известно металлургам с древности, однако научное описание структурных изменений, происходящих при этом, относится к концу XIX — началу XX века. В 1880-х годах Дмитрий Чернов, основоположник металловедения, впервые систематизировал фазовые превращения в стали при нагреве и охлаждении, выделив критические точки. Он показал, что закалённая сталь при последующем нагреве претерпевает ряд превращений, которые влияют на её свойства.

В 1920-х годах рентгеноструктурный анализ позволил уточнить природу мартенсита. Было установлено, что при отпуске при низких температурах (до 150–200 °C) происходит частичное выделение углерода из пересыщенного раствора, что приводит к образованию структуры, названной «мартенситом отпуска». Термин ввёл в обиход советский металловед Г. В. Курдюмов, который в 1930-х годах детально исследовал кинетику распада мартенсита и механизмы упрочнения.

Классификация и виды

В зависимости от температуры и длительности отпуска различают несколько стадий превращения мартенсита, каждая из которых соответствует определённой структуре:

Низкотемпературный отпуск (150–250 °C)

На этой стадии образуется собственно мартенсит отпуска. Углерод частично покидает тетрагональную решётку, формируя мелкодисперсные карбиды (ε-карбид железа, Fe₂C). Структура сохраняет игольчатую (пластинчатую) морфологию, характерную для мартенсита закалки, но становится менее напряжённой. Твёрдость снижается незначительно (на 1–2 HRC), а вязкость и пластичность возрастают.

Среднетемпературный отпуск (250–400 °C)

При этих температурах происходит дальнейший распад мартенсита. ε-карбид переходит в более стабильный цементит (Fe₃C), а пересыщенный феррит обедняется углеродом. Образуется структура, называемая трооститом отпуска (или отпущенным трооститом). Она состоит из феррита и дисперсных частиц цементита, расположенных по границам бывших мартенситных игл. Твёрдость снижается до 40–45 HRC, значительно повышается ударная вязкость.

Высокотемпературный отпуск (400–650 °C)

При высоком отпуске формируется сорбит отпуска (отпущенный сорбит). Это структура, в которой цементит коагулирует (укрупняется) и приобретает зернистую форму, равномерно распределённую в ферритной матрице. Твёрдость падает до 30–35 HRC, но достигается оптимальное сочетание прочности, вязкости и пластичности. Такой вид термообработки применяется для конструкционных сталей, работающих в условиях динамических нагрузок.

Устройство и характеристики

Кристаллическая решётка

Мартенсит закалки имеет тетрагональную объёмно-центрированную решётку (ОЦК) с отношением осей c/a > 1, где «c» — более длинная ось. При отпуске углерод покидает междоузлия решётки, и отношение c/a приближается к 1, то есть решётка становится кубической. В мартенсите отпуска это отношение составляет 1,01–1,02, что указывает на частичное выделение углерода.

Микроструктура

Под микроскопом мартенсит отпуска сохраняет игольчатое строение, но иглы становятся менее чёткими, а их границы — размытыми. Внутри игл наблюдаются мелкие карбидные частицы (размером 0,01–0,1 мкм), которые при более высоких температурах отпуска коагулируют и укрупняются.

Механические свойства

• Твёрдость: 55–62 HRC (для низкоотпущенного мартенсита).
• Предел прочности: 1800–2200 МПа.
• Относительное удлинение: 2–5%.
• Ударная вязкость: 20–50 Дж/см² (зависит от состава стали и режима отпуска).

По сравнению с закалённым мартенситом, мартенсит отпуска обладает меньшей хрупкостью и большей устойчивостью к динамическим нагрузкам.

Применение

Мартенсит отпуска используется в тех случаях, когда требуется высокая твёрдость и износостойкость, но при этом необходимо избежать хрупкости, характерной для закалённой стали без отпуска. Основные области применения:

Режущий и штамповый инструмент

• Метчики, плашки, свёрла — инструменты, работающие при умеренных температурах (до 200 °C) и требующие высокой твёрдости (60–62 HRC).
• Штампы холодного деформирования — пуансоны, матрицы, которые испытывают ударные нагрузки.

Детали машин

• Пружины и рессоры — после закалки и низкого отпуска (200–250 °C) получают высокую упругость и сопротивление усталости.
• Шестерни, валы, оси — для ответственных деталей, работающих в условиях трения и знакопеременных нагрузок, часто применяют средний или высокий отпуск, но при необходимости высокой поверхностной твёрдости (например, после цементации) используют низкий отпуск.

Оружие

• Стволы и затворы огнестрельного оружия — после закалки проводят низкий отпуск (150–200 °C) для снятия внутренних напряжений при сохранении высокой твёрдости (50–55 HRC).

Интересные факты

• Мартенсит отпуска не является равновесной фазой — при длительной выдержке при комнатной температуре (годами) может происходить медленное выделение углерода, что приводит к изменению размеров деталей (явление старения).
• В некоторых легированных сталях (например, с добавлением ванадия или молибдена) процесс отпуска замедляется, что позволяет получать мартенсит отпуска с более высокой твёрдостью при тех же температурах.
• В 1930-х годах советский учёный С. Т. Кишкин показал, что мартенсит отпуска может образовываться не только при нагреве, но и при деформации закалённой стали (механический отпуск).

Критика и ограничения

Несмотря на широкое применение, мартенсит отпуска имеет ряд недостатков:

• Ограниченная температура эксплуатации — при нагреве выше 200–250 °C структура переходит в троостит отпуска, что ведёт к резкому снижению твёрдости.
• Чувствительность к скорости нагрева — при быстром нагреве (например, при индукционной закалке) возможно образование трещин из-за неравномерного снятия напряжений.
• Неоднородность свойств — в крупных деталях (толщиной более 50 мм) трудно обеспечить равномерный прогрев, что приводит к разной степени отпуска по сечению.

Источники

• Курдюмов Г. В., Утевский Л. М., Энтин Р. И. Превращения в железе и стали. — М.: Наука, 1977.
• Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 1986.
• Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990.
• Чернов Д. К. Исследования, относящиеся к структуре литых стальных болванок. — СПб., 1885.
• Кишкин С. Т. Механический отпуск закалённой стали // Журнал технической физики. — 1936. — Т. 6, № 4.