Мартенситные превращения

При больших степенях переохлаждения, то есть при температурах ниже линии Мн, диффузия атомов полностью подавлена и аустенит бездиффузионно распадается с образованием неустойчивой, то есть метастабильной, фазы, называемой мартенситом.

Мартенсит - это перенасыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fе_а, то есть это пересыщенный феррит (табл. 8.1).

Таблица 8.1.

Рис. 8.9. Кристаллическая решетка мартенсита (а) и зависимость периодов решетки от содержания углерода (б)

На рис. 8.9 показана тетрагональная решетка мартенсита. При увеличении содержания углерода в нем высота тетрагональной призмы (с) быстро увеличивается, а размеры ее основания (α) медленно уменьшаются.

Следовательно, с увеличением содержания углерода в мартенсите степень тетрагональности решетки, то есть с/α, увеличивается (см. табл. 8.2) и решетка искажается. Поэтому мартенсит твёрже феррита. Твердость мартенсита - непостоянная величина, то есть с увеличением содержания углерода твердость мартенсита растет (рис. 8.10), но ударная вязкость при этом падает. Высокоуглеродистый мартенсит твердый, но хрупкий.

Таблица 8.2.

Высокая твердость мартенсита определяется:

1) искажением кристаллической решетки при внедрении атомов углерода;

2) увеличением плотности дислокаций;

3) дроблением блочной структуры, то есть субзерен;

Рис. 8.10. Зависимость твёрдости мартенсита от содержания в нём углерода

Переход аустенита в мартенсит идет с увеличением объема (максимально до 4%). Это приводит к образованию внутренних напряжений, короблению и даже трещинообразованию при закалке.

Бездиффузионный процесс мартенситного превращения сводится к перестройке ГЦК - решетки аустенита в ОЦК решетку феррита. При этом атомы железа не диффундируют, то есть не обмениваются местами, а кооперативно смещаются путем двойникования или скольжения (это пластическая деформация) на расстояние меньше периода решетки. Это смещение идет как упругая волна со скоростью 1 км/с. Механизм мартенситного превращения до сих пор до конца не изучен. Принято считать, что вокруг образовавшихся зародышей мартенсита возникают внутренние напряжения, так как превращение аустенита в мартенсит идет с увеличением объема. Но аустенит мягкий и пластичный, поэтому вокруг зародышей мартенсита аустенит пластически деформируется путем скольжения или двойникования. Это называется деформацией Бейна, что и приводит к перестройке ГЦК - решетки аустенита в ОЦК - решетку феррита.

Атомы углерода при этом из решетки не выделяются и обуславливают перенасыщение раствора, то есть феррита.

Высокая скорость превращения аустенита в мартенсит объясняется когерентным ростом кристалла мартенсита (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Схема когерентного роста кристалла мартенсита

Между аустенитом и растущим мартенситом нет четкой границы раздела, а наблюдается плавное упругое сопряжение кристаллических решеток. Именно здесь и наблюдаются самые сильные искажения кристаллической решетки, обуславливающие высокую твердость мартенсита.

На фронте растущего кристалла мартенсита возникают и накапливаются внутренние упругие напряжения. Если они перейдут в пластическую деформацию, то когерентный рост кристалла мартенсита прекращается. Для дальнейшего превращения аустенита в мартенсит необходимо образование новых зародышей мартенсита и их рост, а это требует пониженной температуры, то есть мартенситное превращение - атермическое. Мн - это температура начала мартенситного превращения, а Мк - конец мартенситного превращения.

Мартенсит растет в виде игл в сечении, а вобъеме это пластины. Иголки ориентированы под углом 60 или 120 . Между иголками мартенсита находится аустенит остаточный.

Поэтому мартенситное превращение до конца никогда не идет, то есть всегда есть аустенит остаточный. Количество образовавшегося мартенсита при понижении температуры, то есть при увеличении степени переохлаждения ΔТ, может быть выражено так называемой мартенситной кривой (рис. 8.12,а). По достижении определенной для каждой стали температуры дальнейшее превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эта температура называется концом мартенситного превращения и обозначается Мк.

Положение точек Мн и Мк не зависит от скорости охлаждения и определяется только химическим составом аустенита (рис. 8.12,б). Чем больше в аустените углерода, тем ниже лежат точки Мн и Мк. В сталях с содержанием углерода более 0,5...0,6% линия Мк уходит в область отрицательных температур, что и обуславливает появление дополнительного количества нераспавшегося аустенита, причем, чем ниже линия Мк, тем аустенита остаточного больше.

Рис. 8.12. Мартенситная кривая (а) и положение мартенситных точек Мн и Мк (б) в зависимости от содержания углерода

Итак, наличие аустенита остаточного объясняется следующим:

1) аустенит остаточный зажат иглами мартенсита, и ему некуда увеличивать свой объем, чтобы перейти в мартенсит;

2) с увеличением содержания углерода уровень расположения линии Мн и Мк понижается. Поэтому в закаленной стали с содержанием углерода выше 0,6% всегда есть аустенит остаточный, причем, чем больше углерода, тем больше аустенита остаточного. Начиная с 0,6% углерода в стали и выше количество аустенита остаточного увеличивается, так как линии Мк располагается в области отрицательных температур;

3) с увеличением содержания легирующих элементов уровень расположения линии Мн и Мк понижается, а количество аустенита остаточного увеличивается (см. пунктирные линии на рис. 8.12, б). Исключением являются Со и А1, они повышают Мн и Мк, а кремний не влияет вообще;

4) чем больше скорость охлаждения в интервале Мн - Мк, темп превращения аустенита в мартенсит идет быстрее, а следовательно,будет меньше аустенита остаточного;

5) изотермическая выдержка в интервале Мн - Мк приводит к стабилизации аустенита. При последующем охлаждении аустенит переходит в мартенсит более вяло.