Остаточный аустенит в закалённой стали: причины и устранение

Закалка стали рассчитана на получение мартенсита - самой твёрдой структуры. Но в реальности мартенситное превращение никогда не завершается полностью: часть аустенита «застревает» при комнатной температуре и остаётся в стабилизированном состоянии. Этот остаточный аустенит непредсказуемо меняет размеры деталей при эксплуатации и снижает итоговую твёрдость. Ниже - почему он возникает и как с ним бороться.

Природа мартенситного превращения и точки $M_s$ и $M_f$

Мартенситное превращение - бездиффузионный фазовый переход, при котором аустенит $\gamma$-Fe (ГЦК-решётка с растворённым углеродом) превращается в мартенсит (ОЦТ-решётка). Превращение начинается при температуре начала мартенситного превращения $M_s$ и должно завершаться при температуре конца $M_f$.

Ключевая особенность: $M_s$ и $M_f$ зависят от химического состава стали. Для углеродистых и низколегированных сталей с содержанием углерода до 0,4% точка $M_f$ находится выше 0°C, и при охлаждении до комнатной температуры превращение завершается практически полностью. Однако при увеличении содержания углерода свыше 0,5–0,6% точка $M_f$ опускается ниже нуля, иногда до -50°C и ниже. Охлаждение водой до +20°C не достигает $M_f$, и превращение останавливается, не дойдя до конца.

Степень незавершённости превращения - и есть количество остаточного аустенита. У инструментальных сталей типа У10–У12 его доля достигает 10–15%, у высоколегированных инструментальных (Р18, ХВГ, Х12МФ) - до 25–40%.

Рассчитать для своей задачи

Факторы, повышающие долю остаточного аустенита

Помимо содержания углерода, на количество остаточного аустенита влияет ряд факторов.

Легирующие элементы. Большинство легирующих элементов (Cr, Mn, Ni, Mo, W, V) понижают точки $M_s$ и $M_f$. Это позволяет получать прокаливаемость, но одновременно увеличивает количество остаточного аустенита после закалки. В быстрорежущих сталях Р18 именно высокое легирование объясняет 20–35% остаточного аустенита.

Температура закалочного нагрева. Чем выше температура аустенизации, тем больше карбидов растворяется в аустените, тем выше содержание углерода и легирующих элементов в твёрдом растворе - и тем ниже $M_s$. Перегрев стали при закалке существенно увеличивает долю остаточного аустенита.

Скорость охлаждения. При замедленном охлаждении (недостаточно быстрая закалка) аустенит частично успевает распасться по бейнитному или перлитному механизму выше $M_s$, что парадоксально снижает итоговое количество остаточного аустенита - но ценой потери твёрдости.

Внешнее давление и напряжения. Сжимающие напряжения тормозят мартенситное превращение и увеличивают стабильность аустенита. Это имеет значение для деталей сложной формы с высоким уровнем закалочных напряжений.

Влияние остаточного аустенита на свойства стали

Остаточный аустенит мягче мартенсита: его твёрдость примерно 200–250 HV против 700–900 HV у мартенсита. При значительном количестве остаточного аустенита итоговая твёрдость закалённой стали снижается, а износостойкость падает.

Более опасный эффект - нестабильность размеров. Аустенит метастабилен: под действием нагрузки, вибрации или незначительного нагрева он продолжает превращаться в мартенсит. При этом объём металла увеличивается (мартенсит менее плотен: ~7,75 г/см³ против ~7,85 г/см³ аустенита). Для деталей с допусками порядка 1–2 мкм - прецизионных подшипников, калибров, измерительного инструмента - это недопустимо: деталь «растёт» и выходит за поле допуска.

Ещё одно следствие - снижение сопротивления хрупкому разрушению при циклических нагрузках. Самопроизвольное мартенситное превращение при нагружении создаёт локальные напряжения у границ зёрен.

Методы определения количества остаточного аустенита

Количество остаточного аустенита определяют несколькими методами.

Рентгеноструктурный анализ (РСА) - стандартный метод. Измеряют интенсивности рефлексов аустенита (ГЦК) и мартенсита (ОЦТ), после чего вычисляют объёмные доли фаз. Погрешность составляет ±1–2%.

Магнитный метод основан на том, что мартенсит - ферромагнетик, а аустенит - парамагнетик. По измеренной намагниченности образца и её сравнению с эталоном определяют долю аустенита. Экспресс-метод, но менее точный - ±3–5%.

Металлографический анализ под микроскопом: аустенит в закалённой стали выглядит как светлые области между игловидными кристаллами мартенсита. Дополнительный трав (насыщенным раствором пикриновой кислоты) улучшает выявление. Метод качественный, для количественного анализа требует точечного подсчёта на специальных сетках.

Рассчитать для своей задачи

Криообработка (обработка холодом) для устранения остаточного аустенита

Наиболее эффективный метод устранения остаточного аустенита - охлаждение до температуры ниже $M_f$. Это называется обработкой холодом или криообработкой.

Классическая обработка холодом - охлаждение до -70 ... -80°C в смеси сухого льда с ацетоном или спиртом. Применяется для инструментальных сталей (У10, У12, ХВГ, 9ХС) сразу после закалки: промедление с обработкой холодом даже на несколько часов стабилизирует аустенит и снижает эффективность метода. После выдержки 1–2 часа деталь извлекают и сразу выполняют низкотемпературный отпуск для снятия напряжений.

Глубокая криообработка - охлаждение до -120 ... -196°C в жидком азоте. Применяется для высоколегированных сталей (Р18, Р6М5, Х12МФ) с $M_f$ ниже -100°C. Позволяет снизить остаточный аустенит у быстрорежущих сталей с 30–40% до 5–10%.

Важная деталь: обработку холодом следует проводить немедленно после закалки и до отпуска. Низкотемпературный отпуск перед обработкой холодом стабилизирует аустенит - он перестаёт превращаться даже при глубоком охлаждении.

Подробнее о видах охлаждающих сред и режимах закалки - в статье про охлаждающие среды при закалке.

Многократный отпуск как альтернатива для быстрорежущих сталей

Для быстрорежущих сталей (Р18, Р6М5) обработка холодом применяется не всегда. Стандартная технология - многократный высокотемпературный отпуск при 540–560°C, три цикла по 1 часу каждый.

Механизм: при первом отпуске из мартенсита выделяются вторичные карбиды, мартенсит обедняется легирующими элементами - это повышает $M_s$ остаточного аустенита. При охлаждении после первого отпуска часть аустенита превращается в свежий мартенсит. Второй и третий отпуска снимают напряжения в свежем мартенсите и завершают превращение. После трёх циклов содержание остаточного аустенита снижается с 30–40% до 2–5%.

Дополнительный эффект - вторичная твёрдость: выпавшие дисперсные карбиды упрочняют матрицу, и твёрдость после многократного отпуска достигает 64–66 HRC, хотя после закалки она была лишь 60–62 HRC.

О режимах отпуска стали и их влиянии на структуру подробнее рассказано в статье про отпуск стали.

Рассчитать для своей задачи

Влияние на мартенситное превращение при пластической деформации

Особый случай - деформационно-индуцированное мартенситное превращение. Остаточный аустенит нестабилен не только к охлаждению, но и к пластической деформации: механические напряжения выше определённого порога запускают превращение аустенита в мартенсит прямо при нагрузке.

Этот эффект называется TRIP-эффектом (Transformation Induced Plasticity - пластичность, вызванная превращением). В высокопрочных TRIP-сталях специально сохраняют 5–15% метастабильного аустенита: при ударной нагрузке он превращается в мартенсит, дополнительно упрочняя металл в зоне деформации. Сталь становится одновременно пластичной (аустенит) и твёрдой (образующийся мартенсит) - сочетание, недостижимое обычным путём.

В инструментальных сталях этот же эффект нежелателен: превращение под нагрузкой создаёт дополнительные напряжения и провоцирует трещины. Поэтому для режущего инструмента остаточный аустенит нужно устранять; для конструкционных TRIP-сталей - контролировать его количество.

Связь с отпускной хрупкостью

Отпуск закалённой стали при температурах 250–350°C (вторая зона отпускной хрупкости) частично превращает остаточный аустенит - но в бейнит, а не в мартенсит. Этот распад происходит по диффузионному механизму и сопровождается выделением карбидов по границам зёрен. Итог - снижение ударной вязкости, типичное для отпускной хрупкости стали.

Поэтому при назначении режима отпуска для закалённых сталей с остаточным аустенитом важно обходить область 250–350°C: либо применять низкотемпературный отпуск (150–180°C, снятие напряжений без распада аустенита), либо высокотемпературный (выше 500°C для быстрорежущих сталей).

Частые ошибки

• Проведение обработки холодом после отпуска. Отпуск стабилизирует аустенит - последующая обработка холодом уже не даёт ощутимого эффекта. Правильный порядок: закалка → обработка холодом → отпуск.
• Применение однократного отпуска для быстрорежущей стали. Один цикл отпуска не завершает превращения остаточного аустенита. Стандарт - три цикла при 540–560°C.
• Промедление с обработкой холодом. Даже выдержка закалённой детали при комнатной температуре в течение нескольких часов стабилизирует аустенит. Обработку холодом следует проводить сразу после охлаждения до комнатной температуры.
• Игнорирование остаточного аустенита в прецизионных деталях. Для калибров, эталонных колец, измерительных плиток нестабильность размеров критична. Без обработки холодом деталь через несколько месяцев может выйти за поле допуска.
• Перегрев при аустенизации. Избыточная температура закалочного нагрева растворяет лишние карбиды, понижает $M_s$ и резко увеличивает долю остаточного аустенита.

FAQ

При какой температуре проводить обработку холодом для стали У10? Для стали У10 точка $M_f$ находится около -30 ... -50°C. Достаточно охлаждения до -70 ... -80°C в смеси сухого льда со спиртом. Жидкий азот для У10 избыточен и экономически нецелесообразен.

Можно ли определить остаточный аустенит без рентгеноструктурного анализа? Для практических целей - да. Магнитный метод (феррозонд или сигма-метр) даёт погрешность ±3–5%, что приемлемо для технологического контроля. Металлографический анализ позволяет качественно оценить наличие аустенита под микроскопом. РСА требуется только для точных измерений в НИОКР или при сертификации.

Влияет ли остаточный аустенит на магнитные свойства стали? Да, существенно. Аустенит - парамагнетик, мартенсит - ферромагнетик. Высокое содержание остаточного аустенита снижает намагниченность насыщения и коэрцитивную силу закалённой стали. Именно это используется в магнитном методе определения его количества.

Коротко

Остаточный аустенит - неизбежный спутник закалки среднеуглеродистых и высоколегированных сталей, в которых точка $M_f$ лежит ниже комнатной температуры. Он снижает твёрдость и вызывает нестабильность размеров при эксплуатации. Для устранения применяют два метода: обработку холодом (сразу после закалки, до отпуска) и многократный высокотемпературный отпуск (для быстрорежущих сталей). Количество остаточного аустенита определяют рентгеноструктурным или магнитным методами. Для прецизионных деталей обработка холодом обязательна.