Мартенситное превращение: механизм, кинетика и свойства

Данное превращение реализуется при высоких скоростях охлаждения, когда диффузионные процессы оказываются полностью подавленными. Оно сопровождается полиморфным переходом γ-железа (с гранецентрированной кубической решеткой) в α-железо (с объемно-центрированной кубической решеткой). При охлаждении стали со скоростью, превышающей критическую (V > Vкр), превращение инициируется при температуре начала мартенситного превращения (Мн) и завершается при температуре его окончания (Мк). Продуктом такой закалочной операции является мартенсит — metastable структура, обладающая высокой твердостью.

Минимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до точки Мн и претерпевает бездиффузионное превращение, называется критической скоростью закалки (Vкр). Поскольку диффузия атомов отсутствует, весь углерод, содержавшийся в аустените, остается в решетке образовавшейся α-фазы. Атомы углерода располагаются либо в центрах тетраэдрических пор, либо в середине длинных ребер элементарной ячейки, что приводит к сильным искажениям кристаллической решетки.

Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе. При его формировании кубическая решетка феррита трансформируется в тетрагональную, что характеризуется параметром тетрагональности — отношением периодов решетки *с/а*, которое всегда больше единицы. Степень тетрагональности прямо пропорциональна содержанию углерода в стали: чем выше концентрация углерода, тем сильнее искажена решетка и тем выше твердость мартенсита.

Рис. 13 1. Кристаллическая решетка мартенсита (а); влияние содержания углерода на параметры а и с решетки мартенсита (б)

Механизм мартенситного превращения обладает рядом характерных особенностей, отличающих его от диффузионных процессов. Прежде всего, это бездиффузионный, сдвиговый характер перестройки решетки: атомы смещаются на расстояния, меньшие межатомных, без участия самодиффузии железа. В начальной стадии между решетками аустенита и мартенсита сохраняется когерентная связь, обеспечивающая минимальную поверхностную энергию.

Кристаллы мартенсита имеют форму тонких пластин, сужающихся к краям, что под микроскопом придает структуре характерный игольчатый вид. Они зарождаются мгновенно и растут с огромной скоростью (до 1000 м/с) до тех пор, пока не достигнут границы аустенитного зерна или дефекта кристаллического строения. Последующие пластины ориентируются под углами 60° или 120° к первым, а их размеры лимитируются пространством между уже образовавшимися кристаллами.

Рис. 13.2. Ориентированность кристаллов мартенсита

Ориентированный (когерентный) рост кристаллов мартенсита неизбежно порождает значительные внутренние напряжения из-за разности удельных объемов аустенита и мартенсита. Когда величина этих напряжений достигает предела текучести аустенита, когерентность нарушается, происходит срыв решетки мартенсита с решетки аустенита, и рост кристалла мгновенно прекращается. Это объясняет, почему превращение всегда носит взрывной характер и не идет до полного исчерпания аустенита при постоянной температуре.

Мартенситное превращение протекает исключительно в процессе непрерывного охлаждения. Для каждой стали оно начинается и заканчивается при строго определенных температурах (точки Мн и Мк), которые зависят от содержания углерода и не зависят от скорости охлаждения. С увеличением концентрации углерода эти температуры снижаются, и для сталей с содержанием углерода более 0,6% точка Мк может опускаться в область отрицательных температур.

Рис. 13.3. Зависимость температур начала (МН) и конца (МК) мартенситного превращения от содержания углерода в стали

Мартенситное превращение чувствительно к напряжениям: пластическая деформация аустенита способна инициировать образование мартенсита даже при температурах выше точки Мн. В сталях, у которых Мк лежит ниже комнатной температуры (например, при содержании углерода 0,6…1,0%), после закалки сохраняется некоторое количество остаточного аустенита (до 10%, а при 1,5% С — до 50%). Под микроскопом он наблюдается в виде светлых полей между иглами мартенсита. Важно отметить, что превращение является необратимым: прямой переход мартенсита в аустенит при нагреве невозможен без диффузионных процессов.

Свойства мартенсита напрямую обусловлены особенностями его образования. Высокая твердость (до 65 HRC) объясняется искажением решетки атомами внедренного углерода и возникновением мощных полей внутренних напряжений. Одновременно мартенсит характеризуется крайне низкой пластичностью и высокой хрупкостью, причем склонность к хрупкому разрушению возрастает с увеличением содержания углерода в стали.

Превращение мартенсита в перлит при отпуске. Данное превращение происходит при нагреве закаленной стали и носит диффузионный характер, так как связано с перераспределением углерода. Мартенсит закалки является неравновесной структурой, и для получения более стабильного состояния изделия подвергают операции отпуска. В зависимости от температуры нагрева в структуре протекают последовательные процессы, изменяющие фазовый состав и морфологию карбидной фазы.

При нагреве до 200°C начинается перераспределение углерода внутри мартенсита с образованием ультрадисперсных пластинок ε-карбидов толщиной в несколько атомных слоев. Углерод для их формирования диффундирует из прилегающих областей, вследствие чего возникают зоны с высокой и низкой концентрацией углерода в α-твердом растворе. Такой прерывистый распад приводит к появлению структуры мартенсита отпуска, характеризующейся неравномерным распределением углерода и некоторым снижением тетрагональности решетки.

В интервале 200…300°C происходит рост образовавшихся карбидных частиц за счет диффузии углерода из обогащенных зон. Карбиды сохраняют когерентную связь с матрицей. В высокоуглеродистых сталях одновременно может происходить превращение остаточного аустенита в мартенсит отпуска. К 300°C тетрагональность решетки и внутренние напряжения существенно снижаются, структура по-прежнему именуется мартенситом отпуска.

При нагреве до 400°C практически весь избыточный углерод выделяется из α-твердого раствора. Карбидные частицы полностью теряют когерентность, приобретают кристаллическую решетку цементита (Fe3C) и начинают коагулировать, постепенно принимая сферическую форму. Высокодисперсная смесь феррита и цементита, образующаяся при этих температурах, называется трооститом отпуска.

Выше 400°C фазовый состав стали (феррит + цементит) остается неизменным, но происходят существенные изменения микроструктуры: наблюдается рост и сфероидизация цементитных частиц за счет растворения более мелких и укрупнения крупных (коалесценция). При 550…600°C формируется сорбит отпуска с зернистым строением карбидов, что обеспечивает наилучшее сочетание прочности, пластичности и вязкости. Дальнейший нагрев до 650…700°C приводит к образованию более грубой ферритно-цементитной смеси — перлита отпуска (зернистого перлита).

Технологические возможности и особенности отжига, нормализации, закалки и отпуска. При разработке технологии термической обработки необходимо установить три ключевых параметра: режим нагрева (температуру и время), характер защитной или активной среды, а также условия последующего охлаждения. Режимы назначают на основе анализа диаграммы состояния железо-цементит и диаграммы изотермического распада аустенита, что позволяет прогнозировать конечную структуру и свойства.

Нагрев может осуществляться в различных агрегатах: электрических или пламенных печах, соляных ваннах, установках индукционного нагрева. С точки зрения производительности и минимизации дефектов (окалинообразования, обезуглероживания, роста зерна) выгоден быстрый нагрев. Однако при этом возрастает опасность возникновения термических напряжений из-за перепада температур по сечению, что может вызвать коробление или трещины.

Скорость нагрева выбирают тем выше, чем менее легирована сталь, однороднее её исходная структура и проще конфигурация детали. Ориентировочно время нагрева составляет 0,8…1 минуту на 1 мм сечения, а время выдержки — около 20% от времени нагрева. Важную роль играет состав печной атмосферы: кислород, углекислый газ и пары воды вызывают окисление; водород и кислород приводят к обезуглероживанию поверхности; метан и оксид углерода могут науглероживать. Окисление ухудшает качество поверхности, а обезуглероживание снижает твердость и усталостную прочность.

Рис. 13. 4. Левый угол диаграммы состояния железо – цементит и температурные области нагрева при термической обработке сталей

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Третьякова Н.В.

Источник: Лекции по материаловедению

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим материаловедение и металлургию, инженерно-техническим работникам и специалистам, занятым в области машиностроения, а также всем, кто интересуется историей науки о металлах и современными тенденциями разработки новых материалов.