Применение методов фазового анализа при исследовании сталей позволяет определить:
- количество остаточного аустенита;
- содержание углерода в мартенсите;
- природу выделяющихся фаз в зависимости от легирования;
- периоды решетки матрицы и выделяющихся фаз.
Матричные фазы стали — феррит, мартенсит и аустенит могут быть исследованы по рентгенограммам, полученным с поверхности исходного образца, в то время как для исследования выделяющихся фаз в основном используются методы физико-химического фазового анализа.
Анализ закаленной стали.
Мартенсит закаленной стали представляет собой однофазный пересыщенный твердый раствор углерода на основе а-Fe. Вследствие упорядоченного расположения атомов углерода в октаэдрических пустотах вдоль оси с, решетка мартенсита приобретает тетрагональность (наличие двух периодов решетки а и с), которая увеличивается с увеличением углерода (рис. 5). Мартенсит закаленной стали с 1,7 % С имеет максимальное значение с/а — 1,08.
Рис. 5. Зависимость периодов решетки мартенсита от содержания углерода
Рентгенограмма мартенсита отличается от рентгенограммы феррита появлением двойных дифракционных линий на месте линий (110), (200), (211) и (220) и тройной линии на месте линии (310) феррита. Это связано с появлением тетрагональности решетки, которое проявляется в увеличении расстояния между линиями с увеличением содержания углерода. По величине периодов решетки мартенсита определяется содержание углерода и аналитически эта зависимость выражается уравнением:
а = 2,866 — 0,015р с = 2,866 + 0,118р; с/а=1 + 0,0467р, (5.31), где р — содержание углерода, масс, %.
Практически содержание углерода удобно определять по междублетному расстоянию. Использование дублета (110)—(011,101) нецелесообразно из-за наложения линии остаточного аустенита. Преимущество использования дублетов (200, 020—002) и (211, 121—112) состоит в том, что измеряемая величина существенно больше, чем для первого дублета (рис. 6).
Рис. 6. К определению содержания углерода по междублетному расстоянию: а — излучение хрома (7) и железа (2); б — излучение кобальта
Интенсивность линий дублета неодинакова из-за различных факторов повторяемости двух линий, например, 8 у линии (011) и 4 у линии (110). Между линиями дублета может быть фон, связанный с тем, что часть объема мартенсита имеет меньшее значение с/а, что является следствием неполной закалки из-за недостаточной гомогенизации металла при высокой температуре или низкой скорости охлаждения.
Определять содержание углерода в стали ниже 0,6 % затруднительно, так как в этом случае вместо дублета наблюдаются размытые линии, ширина которых уменьшается по мере уменьшения содержания углерода в стали. В случае содержания углерода менее 0,6 % междублетное расстояние определяется по общей ширине линии на рентгенограмме и вычислению по этой величине содержания углерода. Большое значение имеет выбор линии.
При отпуске мартенсита наблюдается несколько стадий структурных изменений, которые могут быть представлены как перераспределение атомов углерода в решетке железа. Стадия переходных карбидов сменяется образованием равновесных карбидов типа цементита и специальных карбидов на основе легирующих элементов.
Рентгенограмма мартенсита после отпуска претерпевает различные изменения, по которым можно судить о происходящих процессах. После отпуска при низких температурах уменьшается тетрагональность решетки мартенсита до значений с/а=1,005—1,02, что указывает на частичное выделение углерода из мартенсита. Расположение линий на рентгенограмме может быть очень сложным из-за одновременного присутствия линий исходного мартенсита и мартенсита отпуска. Существуют различные методы интерпретации таких рентгенограмм, например, определение количества мартенсита отпуска по соотношению интенсивностей дублетных линий, определение содержания углерода с помощью анализа профилей линий. Отпуск при температуре выше 300 °C приводит к исчезновению тетрагональности решетки, т. е. практически весь избыточный углерод выделяется из мартенсита.
