МАРТЕНСИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ

При больших степенях переохлаждения, например при 230°С для эвтектоидной стали, аустенит находится в неустойчивом состоянии. При этих температурах аллотропическое превращение Fe_γ→Fe_α происходит в условиях, когда скорость диффузии углерода очень мала (см. рис. 6). При бездиффузионном превращении Fe_γ (С) —Fe_α(C) весь углерод, растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита. Так как максимальная растворимость углерода в α-железе не превышает 0,02%,а в исходной фазе — аустените — может содержаться до 2,14%С, то образуется пересыщенный твердый раствор, называемый мартенситом.

Мартенсит — это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe_α. Атомы углерода находятся в междоузлиях: либо в центре оснований тетраэдров, либо посредине их длинных ребер (рис. 13). При образовании мартенсита решетка Fe_α сильно искажается, превращаясь из кубической в тетрагональную (с/а>1) решетку.

С увеличением содержания углерода степень тетрагональности решетки мартенсита увеличивается (рис. 14): c/a=1+0,046р, где р — содержание углерода, % (по массе).

Рис. 13. Схема перестройки решетки аустенита в решетку мартенсита (X — атом углерода)

Рис. 14. Изменение степени тетрагональности мартенсита от содержания углерода (по данным разных авторов)

Наименьшая скорость охлаждения, необходимая для образования структуры мартенсита, называется критической скоростью закалки υ_кр (см. рис. 5).

Механизм мартенситного превращения имеет ряд особенностей, отличающих его от диффузионных превращений. Большой вклад в исследование этого превращения внесли советские ученые С. С. Штейнберг, Г. В. Курдюмов, В. Д. Садовский, А. П. Гуляев.

Как было отмечено ранее, первая основная особенность мартенситного превращения — его бездиффузионный характер. (Под бездиффузионностью превращения следует понимать не отсутствие всяких перемещений атомов, а отсутствие диффузионного перемещения атомов углерода).

Г. В. Курдюмов указывал: «Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются друг относительно друга на расстоянии, не превышающие межатомные». Атомы перемещаются в определенных направлениях единообразно и взаимосвязано, т. е. происходит кооперативное одновременное перемещение атомов, расположенных в одной или нескольких смежных кристаллографических плоскостях.

Необходимая для этого процесса энергия получается за счет разности свободных энергий аустенита и мартенсита.

Рис. 15. Схема строения когерентной границы между кристаллами фаз α и β

Объем образующегося мартенсита больше объема исходного аустенита, поэтому в процессе роста новой фазы возрастает величина упругой энергии до тех пор, пока не будет превзойден предел упругости в переходной зоне. После этого в ней произойдет пластическая деформация (сдвиг), нарушится сопряженность кристаллов, прекратится рост кристалла мартенсита (в этих условиях невозможно кооперативное направленное смещение атомов). Кристаллическая решетка образующегося мартенсита закономерно ориентирована по отношению к решетке аустенита.

В процессе роста мартенситного кристалла на границе между ним и аустенитом имеется непрерывный переход от решетки аустенита к решетке мартенсита, т. е. имеется когерентность (упругая связь) двух решеток (рис. 15). При когерентном росте новой фазы атомы перемещаются только на небольшие близкие расстояния. Это означает, что соседи любого атома в исходной фазе остаются соседями этого же атома в новой фазе. Поверхностная энергия при таком росте очень мала.

В результате — низкое значение энергии активации, а линейная скорость роста новой фазы должна быть очень большой. Это подтверждается экспериментально. Энергия активации такого процесса составляет 1000 кал/г·атом, а скорость роста кристалла мартенсита примерно 1000 м/с. Он образуется практически мгновенно (за 10^-7 с).

Рис. 16. Структура мелкоигольчатого (а) и крупноигольчатого (б) мартенсита стали У10. Х500

Итак, вторая особенность мартенситного превращения — ориентированность кристаллов мартенсита.

Ориентированное смещение атомов при мартенситном превращении приводит даже к образованию на полированной поверхности рельефа. Как показано экспериментально А. П. Гуляевым, кристаллы мартенсита имеют форму пластин. В плоскости шлифа видны обычно их сечения, поэтому мартенситная структура под микроскопом выглядит как игольчатая (рис. 16). Образуясь мгновенно (со скоростью взрыва), пластины мартенсита растут либо до границы зерна аустенита, либо до дефекта. Образующиеся следующие мартенситные пластины расположены к первым под углами 60 или 120° и размеры их ограничены участками между первыми пластинами (В этой закономерной ориентировке проявляется принцип структурного соответствия между образующимся мартенситом и исходной фазой — аустенитом). Чем крупнее исходное зерно аустенита, тем крупнее и пластинки мартенсита, т. е. он будет грубоигольчатым (рис. 16,б).

Третья особенность мартенситного превращения—оно происходит только при непрерывном охлаждении, т. е. в интервале температур, начинаясь и заканчиваясь для каждой стали при определенной температуре независимо от скорости охлаждения. Температуру начала мартенситного превращения называют мартенситной точкой и обозначают М_н, а температуру окончания обозначают М_к (см. рис. 5).

Рис. 17. Зависимость температуры начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения от содержания углерода в стали по данным различных авторов

Положение точек М_н и М_к зависит от содержания углерода в стали (рис. 17) и присутствия легирующих элементов и не зависит от скорости охлаждения. Поэтому на С-образной диаграмме М_н и М_к — горизонтальные линии.

Если изотермическую выдержку проводить в интервале М_н—М_к, то, несмотря на имеющееся иногда даже большое количество аустенита, мартенситное превращение прекращается. Причина такого явления пока еще окончательно не выяснена, но практически оно имеет большое значение: если для какой-либо стали М_к находится в области отрицательных температур (например, для стали, содержащей больше 0,6% С), то при комнатной температуре в структуре наряду с мартенситом будет сохраняться какое-то количество аустенита. Такой аустенит называют остаточным А _ост.( Небольшое количество остаточного аустенита имеется в сталях и после охлаждения ниже М_к).

Свойства мартенсита обусловлены особенностями его образования. Мартенсит характеризуется очень высокой твердостью (HRC55—65) и хрупкостью. Такая высокая твердость объясняется, во-первых, тем, что при образовании пересыщенного углеродом твердого раствора кристаллическая решетка Fe_α сильно искажается, в ней создаются большие внутренние напряжения. Во-вторых, вследствие увеличения объема при превращении аустенита в мартенсит возникает фазовый наклеп, что способствует измельчению блочной структуры и росту внутренних напряжений.

В сталях и сплавах на основе железа наблюдают два морфологических типа мартенсита — пластинчатый и реечный.

Пластинчатый мартенсит, который также называют игольчатым, низкотемпературным или двойникованным, образуется в высокоуглеродистых сталях и сплавах железа с большим содержанием никеля. Кристаллы пластинчатого мартенсита имеют форму тонких линзообразных пластин, которые в разрезе на шлифе выглядят иглами. Такая форма мартенсита соответствует минимуму энергии упругих искажений при его образовании в аустенитной матрице и аналогична форме механических двойников.

Реечный мартенсит, называемый также массивным, высокотемпературным, недвойникованным, образуется в закаленных малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталях, а также в большинстве конструкционных легированных сталях. Кристаллы этого мартенсита имеют форму тонких реек, вытянутых в одном направлении (отсюда название этой формы мартенсита). Рейки параллельны и образуют плотный пакет, внутри которого они разделены мало- или высокоугловыми границами.

Огромная скорость образования пластин мартенсита объясняется когерентностью и упругим сопряжением двух решеток — образующегося мартенсита и исходной фазы, аустенита. Происходит «скользящее» движение, обусловленное бездиффузионным, кооперативным перемещением атомов на расстояния, меньшие межатомных. Так же характерной чертой кинетики мартенситного превращения является его автокаталитичность, напоминающая цепные реакции. На скорость роста кристаллов мартенсита оказывает большое влияние плотность дислокаций и механизм их движения — скольжение вместе с границей или переползание. Повышенная плотность дефектов (дислокаций, двойниковых прослоек) оказывает дополнительное влияние и на фазовый наклеп, наблюдающийся при превращении аустенита в мартенсит (объем мартенсита больше объема аустенита). Кроме того, повышенная плотность дислокаций, особенно их появление на границе фаз, может привести даже к частичному нарушению когерентности.

Мартенситное превращение происходит не только у сталей, оно обнаружено у многих металлов и сплавов, испытывающих аллотропические или полиморфные превращения при быстром значительном переохлаждении высокотемпературных модификаций. Особенностью мартенситного превращения в сталях является его необратимость.

Превращение аустенита в мартенсит — бездиффузионный процесс. Превращение мартенсита в аустенит при нагреве происходит диффузионно.