Влияние состояния аустенита на МП

Чем стабильнее А, тем ниже точки Мн и Мк, тем больше количество Аост.

Все факторы, которые сдвигают вправо С-кривые при превращении

А ---П, снижают Мн и Мк, увеличивают количество Аост. Это увеличение содержания в А углерода, легирующих элементов (кроме Со и А1), крупное зерно, гомогенизация А.

1. Мартенситное превращение в сталях идет только при непрерывном охлаждении, при остановке температуры в интервале Мн – Мк оно сразу прекращается и может возобновиться только при дальнейшем охлаждении. При этом температурная остановка может повлиять на дальнейший процесс, а именно – стабилизировать или дестабилизировать Аустенит. Также стабилизировать или дестабилизировать Аустенит может упругая или пластическая деформация во время охлаждения.

2. Особенности превращения А---М обусловлены его дислокационной природой.

Для движения дислокаций требуется наличие в плоскости скольжения (или двойникования) внутренних касательных напряжений, превышающих сопротивление движению дислокации со стороны различных барьеров (силы Пайерлса-Набарро, другие дислокации и дефекты, примеси в растворе и т.п.). Необходимые напряжения возникают при охлаждении вследствие градиента температур (термические напряжения), разности удельных объемов исходной и новой фаз (структурные или фазовые напряжения), анизотропии упругих характеристик.

В соответствие с моделью полюсного механизма (рис. 5), частичная дислокация, вращаясь со звуковой скоростью вокруг винтовой дислокации наращивает слой за слоем кристалл-линзу мартенсита. Движение дислокации возможно только при наличие когерентности на межфазной границе аустенит/мартенсит.

Пластическая деформация может идти скольжением или двойникованием, при этом соответствующие критические напряжения имеют разную зависимость от температуры. В соответствие со схемой, представленной на рис.6, для данной стали имеется критическая температура Тк, ниже которой деформация осуществляется двойникованием, а выше – скольжением. Поэтому у высокоуглеродистых сталей, легированных сталей, имеющих низкую Мн, получается игольчатый двойникованный Мартенсит.

Установлено, что мидриб представляет собой совокупность двойникованных плоскостей, то есть, двойник. Двойник растет с огромной скоростью, вследствие адиабатного эффекта температура в окружающем Аустените повышается, и, согласно схеме рис. 6, двойникование сменяется скольжением (в области мартенситной линзы вне мидриба).

Энергетический баланс превращения А----М записывается в обычном виде DF = - DFоб + DFпов + DFупр

Большое различие удельных объемов А и М, а также сохранение когерентности фаз в процессе роста кристалла Мартенсита обусловливают большую величину отношения DFупр./ DFпов. Поэтому кристаллы Мартенсита имеют пластинчатую (линзообразную) форму. Прекращение роста кристалла может произойти по двум причинам:

1. DFупр. при росте кристалла увеличилась настолько (вследствие увеличение упругой когерентной энергии), что суммарный выигрыш энергии уменьшился до нуля,

2. еще до того, как выигрыш энергии уменьшился до нуля, напряжения на фронте роста кристалла (в устье линзы) достигло предела текучести, произошла значительная деформация, в результате которой нарушилась когерентность на межфазной границе.

В сталях (и большинстве других сплавов) всегда срабатывает вторая причина, в этом случае обратное сдвиговое превращение при нагреве невозможно, а обратное диффузионное - должно идти при Т>То, но еще до нее произойдет распад Мартенсита на феррито-карбидную смесь.

Однако есть сплавы, в которых достигается термоупругое равновесие: при некоторой температуре Тр DF = 0. Тогда при снижении температуры ниже Тр увеличится объемная энергия и DFоб., и кристалл подрастет, но при повышении температуры выше Тр кристалл будет уменьшаться дислокационным путем, то есть дислокации пойдут обратным путем.

Обратимость дислокационных путей лежит в основе эффекта памяти формы у сплавов, в которых можно при мартенситном превращении достигнуть термоупругого равновесия. Наиболее известный из этих сплавов нитинол (примерно по 50% никеля и титана).

Принцип использования эффекта памяти следующий. Создается объект (например, космическая антенна), затем при низкой температуре в интервале Мн – Мк он деформируется (свертывается, складывается для лучшей транспортабельности), а затем при нагревании восстанавливает первоначальную форму (уже на орбите). Здесь используется сходство дислокационной природы мартенситного превращения и пластической днформации.

Все барьеры движению дислокаций упрочняют аустенит и затрудняют рост мартенсита, соответственно, понижают Мн, увеличивают количество Аост. и, следовательно, стабилизируют Аустенит. Это объясняет, в частности, влияние углерода и легирующих элементов на стабилизацию Аустенита.

Удельный объем у Мартенсита существенно больше, чем у Аустенита. Поэтому в участках не превращенного аустенита возникает трехосное сжатие, в результате чего касательное напряжение, равное (σ₁ – σ₃)/2, снижается, а образование Мартенсита прекращается, что и является причиной сохранения

А ост даже при достижении Мк.

Как выше указывалось, остановка температуры в интервале Мн – Мк может стабилировать аустенит: при снижении температуры после остановки превращение начинается не сразу (температурный гистерезис), и в итоге повышается количество А ост. Стабилирующий эффект тем меньше, чем выше температура остановки. Наконец, при некоторой температуре Мс стабилизирующий эффект сменяется дестабилизирующим. Стабилизацию при остановке температуры в интервале Мс – Мк объясняют двумя причинами: релаксацией напряжений в устье растущего мартенситного кристалла и блокировкой подвижных дислокаций атомами примесей внедрения (С и N), то есть дисперсионным твердением по типу старения. Однако при повышении температуры до Мс и выше скорость диффузиии С и N возрастает настолько, что быстро наступает перестаривание: коагуляция и укрупнение частиц, уменьшение их числа и, соответственно, увеличение расстояния между ними. В результате Аустенит разупрочняется и дестабилизируется.

С барьерным эффектом примесей связан и характер зависимости Мн от скорости охлаждения (рис. ). При обычных скоростях охлаждения примеси успевают блокировать дислокации в Аустените до начала мартенситного превращения, но при очень высоких скоростях этот процесс упрочнения Аустенита не успевает проходить в полном объеме, Мн растет. Наконец, достигаются такие скорости, когда блокировки вообще не происходит, после чего Мн далее не повышается.

Отметим еще автокаталитичность мартенситного превращения. Оно начинается при достижении внутренних касательных напряжений некоторой критической величины. При росте мартенситной линзы в ее вершине (устье) создается концентрация напряжений, которая порождает новые зародыши и так далее. Автокаталитичностью обусловлена так называемая взрывная кинетика, присущая некоторым сплавам, когда в момент начала превращения сразу образуется большое количество Мартенсита (десятки процентов превращенного объема). Правда, взрывной процесс после прекращается, вероятно, вследствие адиабатного эффекта. Отметим, что вообще кинетика Мартенситных превращений у разных сплавов может очень сильно различаться. Есть сплавы, у которых имеется инкубационный период, можно строить С-кривые (только последняя линия не означает 100% - е превращение: остаточный Аустенит всегда остается.

Если во время охлаждения на металл действуют напряжения, то температура Мн повышается с ростом величины действующего внешнего напряжения, Это можно объяснить введением дополнительной энергии (вдобавок к объемной), необходимой для начала превращения. Если приложенное напряжение выше предела текучести Аустенита, то малые пластические деформации также повышают Мн до некоторого «предельного» значения Мд. Однако большие пластические деформации искажают решетку, что затрудняют обеспечение когерентности при превращении и затрудняют образование Мартенсита. Аналогично может влиять предварительная пластическая деформация выше Мн.

Таким образом, особенности мартенситного превращения обусловливаются его сдвиговым механизмом и доказывают его сдвиговую природу.

Лекция 8