Мартенситне перетворення

Мартенситне перетворення протікає тільки у тому випадку, якщо швидким охолодженням аустеніт переохолоджується до низьких температур ( 200⁰С і нижче), коли дифузія як вуглецю, так і заліза стає неможливою. При мартенситному перетворенні не проходить перерозподіл компонентів між аустенітом і мартенситом, тому його можна розглядати, як фазові перетворення в однокомпонентній системі. Для початку мартенситного перетворення необхідно велике переохолодження аустеніту (т. Мn) при якому значення різниці об’ємної вільної енергії аустеніту і мартенситу буде більшим приросту поверхневої та пружної енергії (∆ F_об > ∆ F_пов +∆ F_пр ). Таким чином, мартенситне перетворення носить бездифузійний характер, воно проходить шляхом зсуву і не супроводжується зміною складу твердого розчину.

Мартенситне перетворення не можна подавити швидким охолодженням, як це може бути при дифузійних перетвореннях. При переохолодженні до температури, що відповідає точці початку (т. Мn ~ 200⁰С) мартенситного перетворення аустеніт починає перетворюватись у мартенсит. Щоб мартенситне перетворення розвивалось, необхідно безперервно охолоджувати сталь нижче температури Мn. Якщо охолодження припинити, то мартенситне перетворення також зупиниться. Ця особливість мартенситного перетворення різко відрізняє його від дифузійного перлітного перетворення, яке повністю протікає в ізотермічних умовах при температурі нижче точки А₁. Залежність кількості мартенситу, що утворився, від температури, до якої охолоджений зразок, описується мартенситною кривою. Чим нижча температура, тим більше утворюється мартенситу. Кількість мартенситу при цьому зростає у результаті утворення все нових і нових кристалів, а не внаслідок росту кристалів, які утворились і які мають когерентну межу. При досягненні для кожної сталі температури, перетворення аустеніту в мартенсит припиняється. Цю температуру закінчення мартенситного перетворення називають температурою мартенситного перетворення. Положення точок Мn і Мк не залежить від швидкості охолодження і обумовлено хімічним складом аустеніту. Чим більше в аустеніті вуглецю, тим нижчі температури Мn і Мк. Всі легуючі елементи, які розчиняються в аустеніті, за виключенням Со і Al, знижують точки Мn і Мк.

Нова фаза, яка утворилася при мартенситному перетворенні називається мартенситом і представляє собою пересичений твердий розчин вуглецю в α – залізі. Якщо в рівноважному стані розчинність вуглецю в α – залізі при кімнатній температурі не перевищує 0,006%С, то його вміст у мартенситі може бути таким, як і у вихідному аустеніті.

Атоми вуглецю займають октаедричні пори вздовж осі (0001) в гратці α – заліза ( мартенситу) і значно її спотворюють. Мартенсит має тетрагональну гратку, в якій один період „ с “ більший за інший - „ а“. При збільшенні вмісту вуглецю висота тетрогональної призми зростає „ с “, а розмір її основи зменшується. Відповідно, чим більше в мартенситі вуглецю, тим більше відношення с/a, тобто більша тетрогональність гратки. Відношення с/a = 1+0,046С, де С – концентрація вуглецю в аустеніті, % за масою.

Є різні види мартенситу за механізмом утворення:

- мартенсит напруження

- мартенсит деформації

- мартенсит охолодження.

Кристали мартенситу в залежності від складу сталі, а відповідно і від температури свого утворення можуть мати різну морфологію і субструктуру. Розділяють два типи мартенситу:

- пластинчастий

- рейковий

Пластинчастий мартенсит утворюється у високовуглецевих сталях, що характеризується низькою температурою мартенситної точки. У цьому випадку кристали мартенситу складаються в своїй середній частині з великої кількості мікродвійників, що утворюють зону підвищеного травлення, яка називається мідрібом.

Коли кристали пластинчастого мартенситу розташовуються в площині шліфа, вони мають вигляд голок.

У конструкційних вуглецевих і легованих сталях більша частина кристалів мартенситу має форму таких рейок (рейковий мартенсит) витягнутих в одному напрямку. Рейки часто утворюють пакет. Такий високотемпературний мартенсит називають масивним на відміну від голчастого.

Розміри кристалів мартенситу визначаються величиною вихідного зерна аустеніту. Вони є тим більші, чим більше зерно аустеніту. Перша пластина мартенситу має довжину, що відповідає поперечному розміру зерна аустеніту, кристали, що утворюються при більш низьких температурах, обмежені у своєму розвитку, і мають менші розміри.

У загартованих сталях, що мають точку Мk нижче 20⁰С, і зокрема у вуглецевих сталях, що містять більше 0,4 – 0,5% С, є присутній аустеніт, який називають залишковим – А _зал. Його кількість зростає із зниженням Мn та Mk, тобто із ростом вмісту вуглецю і легуючих елементів у аустеніті. Сталь з 0,6 – 1,0% С має до 10% А _зал , а 1,3 – 1,5% - 30 – 50 А _зал.

Твердість мартенситу залежить від вмісту вуглецю, для сталі з 0,6 – 0,7%С твердість складає 65HRC.