Троостит отпуска

Троостит отпуска — это структурная составляющая закалённой стали, образующаяся в результате её отпуска при температурах в диапазоне от 350 до 500 °C. Представляет собой дисперсную смесь феррита и цементита, имеющую характерное зернистое строение. Троостит отпуска является одной из разновидностей сорбита отпуска, отличаясь от него более высокой дисперсностью частиц цементита. Название получил в честь французского химика и металлурга Луи Жозефа Трооста (1825—1911).

История открытия и терминология

Термин «троостит» впервые был введён в научный обиход немецким металлургом Адольфом Мартенсом в 1878 году. Первоначально им обозначали структуру, образующуюся при закалке стали, которая не поддавалась травлению и выглядела как белые пятна на микрошлифе. Впоследствии было установлено, что эта структура представляет собой высокодисперсную смесь феррита и цементита, возникающую в результате распада мартенсита при отпуске.

В современной металловедческой терминологии различают два основных типа троостита:

• Троостит закалки (или игольчатый троостит) — образуется при закалке стали в результате распада аустенита в перлитной области при относительно высоких скоростях охлаждения. Имеет игольчатое (пластинчатое) строение.
• Троостит отпуска (или зернистый троостит) — образуется при отпуске закалённой стали. Имеет зернистое строение, так как цементит выделяется в виде мелких округлых частиц.

В данной статье рассматривается именно троостит отпуска, который является наиболее распространённой структурой в термически обработанных инструментальных и конструкционных сталях.

Механизм образования

Образование троостита отпуска является результатом диффузионного распада мартенсита — пересыщенного твёрдого раствора углерода в α-железе. При нагреве закалённой стали до 350—500 °C атомы углерода получают достаточную подвижность для миграции и образования карбидной фазы.

Процесс протекает в несколько стадий:

1. Распад мартенсита (до 200 °C). На начальном этапе образуется низкотемпературный карбид ε-карбид (Fe₂,₃C), который имеет гексагональную решётку. Структура на этой стадии называется мартенситом отпуска.
2. Превращение ε-карбида в цементит (200—350 °C). При повышении температуры ε-карбид растворяется, и на его месте или вблизи него образуются частицы цементита (Fe₃C). Формируется структура, называемая сорбитом отпуска (при 400—600 °C) или трооститом отпуска (при 350—500 °C).
3. Коагуляция цементита (выше 500 °C). При дальнейшем повышении температуры мелкие частицы цементита укрупняются, а их количество уменьшается. Структура переходит в сорбит отпуска, а затем в перлит отпуска.

Ключевое различие между трооститом и сорбитом отпуска заключается в размере частиц цементита: в троостите они имеют размер 0,1—0,5 мкм, в сорбите — 0,5—2 мкм.

Структура и свойства

Микроструктура

При микроскопическом исследовании троостит отпуска выглядит как тёмная, трудно различимая при малых увеличениях (до ×500) масса. При больших увеличениях (×1000—×1500) и использовании иммерсионных объективов можно различить мельчайшие зёрна цементита, равномерно распределённые в ферритной матрице. Форма частиц цементита — округлая или близкая к сферической, что является отличительным признаком троостита отпуска от игольчатого троостита закалки.

Механические свойства

Троостит отпуска занимает промежуточное положение по механическим свойствам между мартенситом отпуска и сорбитом отпуска. Основные характеристики:

По сравнению с мартенситом отпуска, троостит обладает более высокой пластичностью и вязкостью, но несколько меньшей твёрдостью и прочностью. По сравнению с сорбитом отпуска — более высокой твёрдостью и прочностью, но меньшей пластичностью и вязкостью.

Физические свойства

• Плотность: ≈ 7,8 г/см³ (близка к плотности стали).
• Магнитные свойства: ферромагнитен.
• Коррозионная стойкость: ниже, чем у аустенитных сталей, но выше, чем у мартенсита закалки, из-за более равновесного состояния структуры.

Применение

Троостит отпуска является целевой структурой для многих видов термически обработанных сталей, особенно для тех, которые должны сочетать высокую прочность с достаточной вязкостью.

Инструментальные стали

• Штамповые стали (например, 5ХНМ, 4Х5МФС). После закалки и отпуска на троостит приобретают высокую износостойкость и достаточную вязкость для работы при ударных нагрузках.
• Режущий инструмент (свёрла, метчики, плашки) из быстрорежущих сталей (Р6М5, Р18). Отпуск на троостит позволяет получить твёрдость 63—65 HRC, необходимую для резания металлов.
• Измерительный инструмент (калибры, скобы). Трооститная структура обеспечивает стабильность размеров и высокую износостойкость.

Конструкционные стали

• Детали машин и механизмов (валы, оси, шестерни, пружины). Отпуск на троостит позволяет получить оптимальное сочетание прочности и вязкости, что важно для деталей, работающих при циклических и ударных нагрузках.
• Рессоры и пружины. Для них часто применяют отпуск на троостит, так как эта структура обеспечивает высокий предел упругости и достаточную релаксационную стойкость.

Другие области

• Броневая сталь. Отпуск на троостит позволяет получить твёрдость, достаточную для противодействия пробитию, при сохранении вязкости, предотвращающей хрупкое разрушение.
• Нефтегазовое оборудование. Детали, работающие в условиях высоких давлений и агрессивных сред, часто подвергают отпуску на троостит для повышения коррозионной стойкости и прочности.

Сравнение с другими структурами

Интересные факты

• Троостит отпуска был впервые описан в работах русского металлурга Дмитрия Константиновича Чернова, который в 1868 году опубликовал фундаментальные исследования фазовых превращений в стали. Однако название структура получила в честь Луи Трооста, который независимо от Чернова изучал эти процессы.
• В англоязычной литературе термин «troostite» используется редко; вместо него применяют описательные названия: «fine pearlite» (мелкий перлит) или «tempered martensite» (отпущенный мартенсит) с указанием температуры отпуска.
• Оптимальные механические свойства для многих инструментальных сталей достигаются при отпуске на троостит, так как при более низких температурах (мартенсит отпуска) сталь слишком хрупка, а при более высоких (сорбит) — недостаточно прочна.
• Троостит отпуска обладает повышенной устойчивостью к отпускной хрупкости первого рода, которая проявляется при отпуске в интервале 250—400 °C. Это связано с тем, что при температурах выше 350 °C диффузионные процессы идут достаточно быстро, чтобы избежать образования неблагоприятных структур.

Источники

1. Гуляев А. П. Металловедение. — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Металлургия, 1986. — 544 с.
2. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1990. — 528 с.
3. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Металлургия, 1986. — 480 с.
4. Беккерт М., Клемм Х. Справочник по металлографическому травлению. — М.: Металлургия, 1979. — 336 с.
5. Чернов Д. К. О структуре стали и способах её исследования. — Избранные труды по металлургии и металловедению. — М.: Изд-во АН СССР, 1950.