Мартенситное превращение (стр. 2 из 2)

На рис. 3 показано, что легирующие элементы (за исключением А1, Со) снижают температуру мартенситного превращения. Вследствие этого в легированных сталях после закалки часто наблюдается большое количество остаточного аустенита.

4. Микроструктура мартенсита

Как уже нами установлено мартенситом, называется пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе.

Так как в кристаллической решетки мартенсита имеется избыточное количество атомов углерода по сравнению с тем, которое может раствориться в феррите (~0,01 % С), то это приводит к искажению формы решетки (рис. 4, а, б). Такая решетка, у которой отношение c/а > 1, называется тетрагональной. А отношение c/а – степенью тетрагональности.

Рис. 4 . Кристаллическая решетка мартенсита (а); влияние содержания углерода на параметры с и а решетки мартенсита (Т. В. Курдюмов, Э. З. Каминский)

На рис 4, а приведена схема ячейки кристаллической решетки мартенсита; рис 1, б показывает изменение параметров решетки мартенсита разных по составу сталей, откуда видно, что степень тетрагональности с/а мартенсита прямо пропорциональна содержанию углерода в стали.

Кристаллы мартенсита в пространстве представляют собой пластины, сужающиеся к концу, и поэтому на фотографии, снятой с плоскости шлифа, кажутся игольчатыми. Электронно-микроскопические и рентгеновские исследования позволяют мелкоблочное строение отдельных кристаллов мартенсита. Размер блоков порядка 10-6 см. Относительно друг друга кристаллы мартенсита расположены под утлом 60 и 120°. Это дает основание для заключения, что они возникают по определенным кристаллографическим плоскостям кристаллов исходной аустенитной фазы.

Размер мартенситных кристаллов зависит от величины кристаллов аустенита: из мелкозернистого аустенита образуется мелкоигольчатый мартенсит, и наоборот.

Рентгенографическими исследованиями Г. В. Курдюмова было показано, что плоскость (111) и направление [110] аустенитного кристалла при превращении А>М соответственно параллельны плоскости (110) и направлению [111] мартенситного кристалла. Это открытие позволило объяснить ряд особенностей механизма превращения аустенита в мартенсит.

Отмеченная взаимная ориентировка решеток г.ц.к. и о.ц.к. при образовании кристаллического зародыша мартенсита в максимальной степени соответствует принципу структурного размерного соответствия решеток аустенита и мартенсита.

В начале превращения А->М кристаллическая решетка мартенсита когерентно связана с решеткой аустенита (рис. 6, а). Поэтому при превращении решетки г.ц.к. в о.ц.к., атомы железа смещаются на расстояния, меньшие периода решетки, и нет необходимости в самодиффузии атомов железа, что при низких температурах превращения А->М происходить не может.

Характерно, что при превращении решетки А→М смещения атомов железа носят закономерный характер в определенных направлениях по отношению к своим соседям. В результате таких перемещений атомов в одну и ту же сторону получается реальный сдвиг. Такой механизм роста кристаллов получил ; название сдвигового механизма роста.

Рис. 6. Схема соотношения между решеткой старой и новой фазы при мартенситном превращении: а – период роста, сохранение порядка на границе; б – прекращение роста, беспорядок на границе (Г. В. Курдюмов)

Ориентированный когерентный рост кристаллов мартенсита обеспечивает минимальную поверхностную энергию растущих кристаллов мартенсита и обусловливает термодинамическую экономичность процесса.

При когерентном росте кристалла мартенсита ввиду значительного различия в объемах аустенита и мартенсита возникают большие напряжения как в кристаллах аустенита, так и в кристаллах мартенсита. При достижении определенной величины мартенситного кристалла эти напряжения достигают значения предела текучести аустенита. Поэтому в последнем происходит пластическая деформация, приводящая к нарушению когерентной связи решеток и отрыву решетки мартенсита от решетки аустенита (рис. 3, б), вследствие чего дальнейший рост мартенситного кристалла прекращается.

Специфические особенности сдвигового механизма роста мартенситных кристаллов объясняют особенности мартенситного превращения стали при закалке.

Такими особенностями являются: 1) бездиффузионный механизм 2) ориентированность мартенситных кристаллов относительно старой фазы; 3) очень большие скорости роста (порядка 10...1000 м/с) мартенситных кристаллов; 4) необратимость мартенситного превращения; 5) Очень ограниченное протекание процесса в изотермических условиях и необходимость непрерывного охлаждения для развития процесса.

5. Механические свойства стали с мартенситной структурой

В табл. 2 приведены механические свойства стали 40 (0,4 % С) после термообработки (отпуска, закалки и отпуска).

Таблица 2

Структура и характер термообработки	Механические свойства
	σв, МПа	σт, МПа	НВ	δ, %	Ψ, %
П+Ф(отжиг)	600	250	140	33	55
Мартенсит (закалка)	1400	1100	570	2	3
Отпуск при 600°С(сорбит отпуска)	620	410	170	20	64

Как видно из табл. 2, характерными свойствами стали с мартенситной структурой являются высокая твердость и малая пластичность. Установлено, что твердость мартенсита зависит от содержания углерода в стали и мало изменяется от наличия легирующих элементов (рис. 7)

Рис. 7. Влияние содержания углерода на твердость HRC мартенсита.

Хрупкость стали увеличивается с увеличением содержания углерода укрупнением мартенситных игл. Последняя имеет место при закалке стали с крупным зерном аустенита.

Высокую твердость мартенсита Г. В. Курдюмов объясняет мелкоблочным строением мартенситных кристаллов, границы которых сильно затрудняют перемещение дислокации.

Сильно развитая блочная структура закаленной малоуглеродистой стали является основной причиной её высокой статической прочности; роль углерода в этом незначительна. В высокоуглеродистой стали упрочняющая роль углерода весьма велика.

Установлено, что в закаленной малоуглеродистой стали при деформации дислокации некоторых типов отличаются большой подвижностью; они способствуют деформации стали без образования при этом трещин.

В кристаллах мартенсита высокоуглеродистой стали установлено образование двойников. Считается, что у этих сталей барьерами для дислокаций являются границы двойников, перед которыми дислокации скапливаются и создают очаг зарождения трещины. Этим объясняется высокая хрупкость закаленной высокоуглеродистой стали. Атомы углерода в решетке мартенсита оказывают дополнительное сопротивление движению дислокаций и, главное, придают температурную зависимость. Этим объясняют склонность закаленной углеродистой стали к хладноломкости.

Эти выводы имеют существенное значение при создании новых высокопрочных безуглеродистых сплавов типа мартенсито-стареющих, в которых высокий комплекс прочности и вязкости достигается мартенситной структурой, в которой отсутствует тормозящая роль примесей внедрения(в частности, углерода).

Наличие в структуре высокоуглеродистых и некоторых легированных сталей большого количества остаточного аустенита уменьшает твердость, износостойкость и прочность стали. Остаточный аустенит Аост оказывает отрицательное влияние и на некоторые другие свойства (уменьшается стабильность размеров деталей, ухудшается шлифуемость и т. д.).

Вязкость закаленной углеродистой стали невелика из-за неоднородности мартенсита, что приводит к концентрации напряжений. Вследствие этого возможно образование микротрещин, накопление которых приводит к потере пластичности и к хрупкому разрушению стали.

Легирование стали, как правило, сопровождается повышением однородности структуры, благодаря чему повышается истинная пластичность е и возрастает сопротивление вязкому разрушению SК. Этим же определяется повышение сопротивления хрупкому разрушению Sот легированных сталей в закаленном состоянии.

Сопротивление отрыву Sот закаленной стали резко понижается с увеличением содержания углерода. Так, при С=0.42 % сопротивление отрыву Sот = 1740 МПа, а при С=0.77 % составляет Sот = 630 МПа.

Заключение

В заключении мы можем сделать вывод о том, что мартенсит – структура, сильно отличающаяся по свойствам и строению от других продуктов превращений в сталях, при различных видах термообработки. Мартенситное превращение это основная цель такого технологического процесса как, закалка (или закалка на мартенсит), которая производится для повышение твёрдости, прочности и износостойкости, а также для подготовки к отпуску. Поэтому сложно недооценивать важность того как и при каких условиях происходит мартенситное превращение, это знание позволяет нам получать стали с нужными нам свойствами.

Список используемой литературы

1. Мозберг Р.К. Материаловедение: Учеб. пособ. – 2-е издание., перераб – Москва Высш. шк., 1991. – 448с.

2. Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман В.М. Матюнин и др. Материаловедение и технология металлов – Москва Высш. шк., 2000. – 639с.

3. Лахтин Ю. М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для ВТУЗов – 3-е изд., перераб. и доп. – Москва: Машиностроение, 1990 – 528с.

4. Арзамасов Б.Н., И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. Материаловедение: Учебник для ВТУЗов . – 2-е издание., испр. и доп. – Москва.: Машиностроение, 1986. – 384с.

5. http://www.krugosvet.ru

6. http://ru.wikipedia.org

7. http://www.markmet.ru/

8. http://www.metaltrade.ru