При сварке плавлением

Мартенсит является пересыщенным твердым раствором углерода в α- Fe. Концентрация растворенного в нем углерода и легирующих элементов такая же, как и в исходном аустените.

Отличительной особенностью образования мартенсита, по определению Г.В. Курдюмова, является сдвиговый механизм фазового превращения, для которого характерно упорядоченное, взаимосвязанное перемещение атомов на расстояния меньше межатомных, без обмена атомов местами. Следствием упорядоченности процесса является малая энергия активации зарождения и роста кристаллов мартенсита (~ 4,17 кДж/моль).

Большая часть существующих гипотез основана на представлении о гетерогенном (неоднородном) зарождении мартенсита внутри зерен аустенита в участках, обедненных углеродом. В этих участках до начала мартенситного превращения возникают особые структуры – области с ближним порядком смещений и аномальным распределением упругих свойств.

В общем случае для мартенситного превращения характерна многоступенчатость. Различают атермическое, взрывное и полностью изотермическое мартенситные превращения.

Атермическое превращение реализуется в углеродистых и легированных сталях с температурой начала мартенситного превращения М_н выше 100 ⁰С; взрывное – в сплавах систем Fe – Ni и Fe – Ni – C c М_н ниже нормальной; полностью изотермическое превращение наблюдается в сплавах систем Fe – Ni – Mn и Fe – Ni – Cr с М_н также ниже нормальной.

Поскольку в конструкционных сталях аустенит образуется атермически, то возможным является вопрос о зависимости М_н от интенсивности охлаждения. Полагают, что при изменении скорости охлаждения до 600 ⁰С/с, т.е. при условиях, характерных для реальных процессов термообработки и сварки, значения температуры М_н углеродистых и низколегированных сталей практически не изменяются. Кристаллы мартенсита в аустените средне- и высокоуглеродистых сталей растут со скоростью, достигающей 10⁹ мкм/с.

Кристаллическая решетка мартенсита является объемно-центрированной, тетрагональной. Тетрагональность возрастает с увеличением содержания углерода в твердом растворе. Мартенсит образуется внутри аустенитного зерна. Все препятствия движению дислокаций (границы зерен, включения, карбиды) уменьшают размер мартенситных кристаллов. В мелком исходном аустенитном зерне образуются дисперсные кристаллы мартенсита, строение которых не выявляется с помощью светового микроскопа. Такой мартенсит называют бесструктурным (или гарденитом).

Различают две морфологические разновидности мартенсита, отличающиеся строением кристаллов, субструктурой, а также плоскостью габитуса – пластинчатый и реечный мартенсит (по Г.В. Курдюмову и И.И. Новикову). Пластинчатый мартенсит (его также называют игольчатым, высоколегированным, низкотемпературным, двойникованым, многонаправленым) образуется преимущественно в средне- и высоколегированных сталях. Ширина пластин мартенсита 2…3 мкм. Субструктура пластинчатого мартенсита характеризуется наличием мидриба, т.е. области с плотным расположением параллельных тонких двойниковых прослоек толщиной от 10^-4 до 10^-2 мкм. Внутри двойникованых кристаллов плотность дислокаций достигает 10¹¹ см^-2, а по обе стороны от мидриба не превышает 10¹⁰ см^-2. Скорость роста кристаллов пластинчатого мартенсита достигает 10¹⁰ мкм/с.

Реечный мартенсит (его также называют пакетным, массивным, дислокационным, низколегированным, ячеистым, бездвойниковым, высокотемпературным, ненаправленным) образуется в закаленных малоуглеродистых низко- и среднелегированных сталях. Кристаллы реечного мартенсита имеют форму реек, объединенных в пакеты (по 3…10 в одном бывшем зерне аустенита). Границы между рейками представляют собой дислокационные сетки. Реечный мартенсит характеризуется высокой плотностью дислокаций (до 10¹² см^-2). Ширина реечных кристаллов в пакете составляет примерно 0,1…0,3 мкм. Она практически не зависит от скорости охлаждения при ее изменении от 200 до 20000 ⁰С/с. Скорость роста кристаллов реечного мартенсита не превышает 10 мкм/с.

Полагают, что ведущую роль в образовании реечного мартенсита, особенно на первых стадиях γ → α-перехода, играет дополнительная деформация скольжения, а в образовании пластинчатого мартенсита – дополнительная деформация двойникования. Поскольку с переохлаждением аустенита сопротивление скольжения возрастает и превышает сопротивление двойникованию, то при этом реализуются условия, способствующие подавлению образования реечного мартенсита и активизации процесса образования пластинчатого мартенсита. Соответствующее влияние оказывает и увеличение содержания углерода в стали.

Из легирующих элементов алюминий и кобальт повышают температуру начала мартенситного превращения, а остальные элементы, кроме кремния, понижают ее. Кремний не влияет на М_Н. Наиболее интенсивно температура М_Н понижается с увеличением содержания углерода. Элементы, понижающие точку М_Н, увеличивают также содержание остаточного аустенита.

С повышением содержания углерода, легирующих элементов в закаленной стали происходит плавный переход от структуры реечного мартенсита к структуре пластинчатого мартенсита, т. е. растет объемная доля областей превращения, имеющих двойники. Такой переход возможен и в стали постоянного химического состава в результате увеличения интенсивности охлаждения металла при закалке.