Мартенситное превращение (стр. 1 из 2)

Введение

Для того, чтобы наиболее полно разобраться в том, что же такое мартенситное превращение, думаю, нам следует начать с определения, что же такое мартенсит, даваемого повсеместно в словарях и энциклопедиях.

Мартенсит — микроструктура игольчатого вида, наблюдаемая в закалённых металлических сплавах и в некоторых чистых металлах, которым свойствен полиморфизм. Назван в честь немецкого металловеда, одного из основоположников исследований по усталости материалов, Марка Адольфа Мартенса (А. Martens; 1850—1914гг.). Мартенсит — основная структурная составляющая закалённой стали; представляет собой упорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе.

Мартенситное превращение, наиболее интересная стадия превращения аустенита в сталях.

Физический механизм образования мартенсита принципиально отличается от механизма других процессов, происходящих в стали при нагреве и охлаждении. До тех пор пока, ученые не смогли наиболее глубоко изучить и описать этот процесс, существовало много различных не уясненных, непонятных и не объяснимых на тот момент процессов происходящих при превращении А→М.

1. Диаграмма изотермических превращений аустенита

С целью уяснения процессов происходящих в сталях, и влияние различных температур на аустенит и на строение и свойства получающихся при его распаде продуктов рассмотрим диаграмму его изотермических превращений, т.е. таких превращений, которые происходят при постоянных температурах, лежащих ниже точки A1.

Диаграмма изотермических превращений аустенита эвтектоидной стали (0,8% С) имеет простой вид (рис. 1). Диаграмма представлена двумя кривыми (их принято называть С-кривыми). Она составлена в координатах время — температура изотермической выдержки. Время откладывается в логарифмической шкале (для укорочения последней, так как отсчет ведется в секундах).

Рис.1. Диаграмма изотермических превращений аустенита(0.8% С).

Собственно диаграмма заключена между двумя критическими изотермами, из которых изотерма A1 соответствует равновесному превращению аустенит—перлит, а изотерма Mн – началу интересующего нас мартенситного превращения.

В различных областях диаграммы происходят различные процессы.

Например: В верхней части выше выступов С-кривых образуется наиболее крупнопластинчатая, грубодисперсная смесь Феррит + Цементит. Всю область выше выступов принято называть сокращенно ПСТ (Перлит – Сорбит - Тростит).

Распад аустенита в области температур ниже выступа происходят при явно недостаточной скорости диффузионных процессов. Это в данной области является доминирующим обстоятельством, предопределяющим характер формирования образующихся при распаде продуктов, называемых бейнитами в честь американского ученого Бейна, впервые исследовавшего изотермические превращения аустенита, скорость работы механизма формирования новых фаз в этих условиях полностью зависит от интенсивности диффузии. При Мн диффузия прекращается полностью.

Таким образом, при распаде аустенита в нижней температурной области диаграммы изотермических превращений (см. рис. 111) образуется смесь пересыщенного твердого раствора углерода в α-Fe и специфического карбида железа: Ф' + Ц', тем более отличающаяся от смеси Ф + Ц, чем ниже температура превращения.

По мнению ряда исследователей, при бейнитном превращении из аустенита предварительно выделяется какое-то количество углерода, в результате чего образуются частицы карбида железа. Несколько обедненный при этом аустенит затем превращается в пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe— мартенсит М. Разберемся в том, как это происходит и при каких условиях.

2. Мартенситное превращение

Если переохладить аустенит до точки Mн, то начнется так называемое мартенситное превращение, происходящее при непрерывном охлаждении в интервале температур от точки Мн„ до точки Мк, лежащей ниже О °С при С > 0,8%.

Интервал температур Mн …Mк зависит от количества углерода в аустените стали (рис.2)

Так при содержании углерода больше 0.6% точка Мн находится в области отрицательных температур. Скорость охлаждения практически не влияет на температуру Мн и Мк.

Рис. 2.Влияние содержания углерода на положение мартенситных точек Мн и Мк.

Минимальная скорость охлаждения Vk, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры точки Mн, и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки. Суть данного превращения состоит в том, что в этих условиях происходит только бездиффузионное аллотропическое превращение γ-Fe в α-Fe. Что касается растворенных в аустените атомов углерода, то вследствие отсутствия диффузионных процессов они не могут выйти из образовавшейся новой решетки и поэтому остаются в ней, внося в нее существенные изменения и внутренние напряжения.

Для сталей с С>0.6% после охлаждения до 0°С в структуре закаленной стали сохраняется некоторое количество непревращенного (остаточного аустенита) Аост, количество которого увеличивается в высокоуглеродистых сталях с низким значением точек Мн и Мк,

Важнейшим условием А→М-превращения является непрерывное охлаждение аустенита в интервале от Мн до Мк. При остановках фиксируется нераспавшийся аустенит с неприятными последствиями (снижение твердости, изменение размеров и т. д.).

Механизм образования сводится к тому, что в зернах аустенита возникают растущие с огромной скоростью кристаллы мартенсита, имеющие продолговатую сплюснутую форму в виде пластин или реек и возросший объем. Огромная скорость роста мартенситных кристаллов, превышающая 1000м/с, способствует образованию наклепа в аустените, возникающие при этом дислокации переходят в образующийся затем мартенсит, что поышает его твердость, снижая пластичность до нуля. Плотность дислокаций возрастает до 1013см-2. За время превращения кристаллы мартенсита многократно возникают и проскакивают под углами 60° и 120° друг к другу. При наблюдении в микроскоп их следы имеют игольчатую форму.

Мартенситное превращение очень чувствительно к напряжениям, а деформация аустенита может вызвать превращение даже при температурах выше Мн (мартенсит деформации).

Схему превращения А→M можно записать в виде

γ-Fe(C) -> α-Fe(C).

При А->M происходит перестройка решетки γ-Fe г.ц.к. в решетку α-Fe о.ц.к. по сдвиговому механизму без выделения углерода из решетки α-железа.

Атомы растворенного в мартенсите углерода размещаются в октаэдрических порах тетрагональных кристаллов.

Согласно современным взглядам об электронном строении кристаллической решетки мартенсита, находящийся в октапоре атом углерода двумя из четырех своих валентных электронов образует ковалентные связи с двумя ближайшими атомами железа. Остальные же два валентных электрона переходят в электронный газ, образуя металлическую связь между атомами решетки.

Образующиеся в мартенсите трехцентровые ковалентные связи Fe-C-Fe почти на порядок сильнее металлических. К тому же они являются очень жесткими связями, допускающими лишь небольшие упругие деформации. превышение которых влечет полное скачкообразное исчезновение взаимодействия. Эти особенности межатомного взаимодействия в мартенсите сочетающие металлическую и ковалентную связи в его кристаллический решетке, являются основной причиной, предопределяющей его очень высокую твердость и хрупкость.

Имеются и другие факторы, которые вносят важный вклад в формирование вышеупомянутой специфики свойств мартенсита, в частности высокий уровень остаточных внутренних напряжений и большая плотность дислокаций.

В заключение напомним, что образование пересыщенного твердый раствор углерода в α-Fe происходит и при бейнитном превращении аустенита начиная с выступа С-крипых. Но в бейните в связи с образованием карбидной фазы не весь углерод оказывается растворенным в α-Fe. В связи с этим превращение в интервале температур Мн - Мк. когда образуется только одна фаза, содержащая весь растворенный в аустените углерод, является истинно мартенситным.

аустенит мартенситный сталь безуглеродистый

3. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение

При нагреве под закалку большинство легирующих элементов растворяются в аустените. Карбиды TiC, NbC, ZrC [частично (Fе, V)з С] не растворяются в аустените, даже когда их количество в стали мало. Эти карбиды тормозят рост аустенитного зерна при нагреве и обеспечивают получение мелкоигольчатого мартенсита при закалке. Остальные карбидообразующие элементы при небольшом количестве их в составе стали, а также некарбидообразующие элементы при нагреве растворяются в аустените и при закалке образуют легированный мартенсит.

Легирующие элементу оказывают незначительное влияние на распад мартенсита только при температурах ниже 200 °С. При более высоких температурах введение в сталь Cr, Mo, W, V, Si и Ti сильно тормозит процессы распада мартенсита, образования и роста частиц карбидов. Это имеет большое практическое значение. Если в углеродистой и низколегированной стали состояние отпущенного мартенсита, обладающего высокой твердостью, сохраняется лишь до 250—350 С, то в высоколегированной стали такое состояние сохраняется до 450—500 °С и выше.

В таблице 1 показано распределение легирующих элементов в разных фазах конструкционной стали после закалки.

Рис.3 . Влияние легирующих компонентов на мартенситную точку Мн в сталях с 0.76…1.0% С (Зюзин, Садовский и Баранчук).

Таблица 1

Характер термообработки	Легирующий элемент
	В твердом растворе	В карбидной фазе
Отжиг	Si, Al, Ni, Cu, Mn, Cr, Mo, W	Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti
Закалка	Si, Ni, Al, Cu, Mn, Cr, V, Mo, W	Nb, V, Zr, Ti, Cr, Mo, W
Отпуск при 600°С(Улучшение)	Si, Ni, Al, Cu, Mn, Cr, Mo, W	Zr, Ti, V,Mn

Примечание: если легирующий элемент может присутствовать в разных фазах, предпочтительная форма его содержания в стали , выделена жирным шрифтом.