Закалка стали. Мартенситное превращение

(третье основное превращение в стали)

Рассмотренное выше превращение аустенита в перлит являлось изотермическим. Такое превращение аусте­нита происходит при охлаждении с относительно малой скоростью. Если же скорость охлаждения увеличивается, то либо весь, либо частично аустенит не успевает превратиться в феррито-цементитную смесь. При этом оставшаяся его часть переохлаждается до точки М_н (см. рис. 72), ниже которой происходит его превращение в мартенсит. При дальнейшем увеличении скорости охлаждения превраще­ние аустенита в феррито-цементитную смесь становится вообще невозможным, и аустенит переохлаждается до точки М_н, затем превращается в мартенсит.

Минималь­ная скорость охлаждения, при которой аустенит превра­щается только в мартенсит, называется критической ско­ростью охлаждения, или критической скоростью закалки.

Для сталей различного состава критическая скорость закалки различная, наименьшую критическую скорость закалки среди углеродистых сталей, соответствующую наибольшей устойчивости ау­стенита, имеет эвтектоидная сталь.

Рис. 75. Термокинетическая диаграмма для стали 45

Для определения критической скорости закалки экс­периментально строят термокинетические диаграммы (рис. 75). Принципиальное отличие от изотермических диаграмм превращения аустенита (рис. 72) заключается в том, что их строят в условиях непрерывного охлажде­ния сталей. Эти диаграммы позволяют предсказать тип фазового превращения и возможную структуру стали в зависимости от скорости охлаждения, поэтому их часто используют в практике термической обработки.

Что же такое мартенсит и каковы отличительные чер­ты мартенситного превращения?

Значительный вклад в науку о природе мартенсита внесли отечественные ученые во главе с академиком Г. В. Курдюмовым.

Мартенсит - это пересыщенный твердый раствор уг­лерода в a - железе, с той же концентрацией углерода, что и в исходном аустените.

Принципиальное отличие мартенситного превращения от рассмотренного ранее перлитного состоит в том, что оно не требует изменения состава, т. е. происходит бездиффузионно.

Мартенситное превращение начинается при температуре, называемой мартенситной точкой М_н, и протекает в широкой области температур. Температура М_н зави­сит главным образом, от состава стали и в углеродистых сталях меняется от 380 °С при 0,2 % С до 120 °С при 1,6 % С.

Ход мартенситного превращения характеризуют мар­тенситной кривой (рис. 76), описывающей долю превра­щенной фазы (%) в зависимости от времени протекания процесса при разных температурах.

Рис. 76. Мартенситная кривая

Рис. 77. Изменение температурного интервала мартенситного превращения - а

(область М_н – М_к заштрихованная, сплошная линия - t_комн) и массовой доли остаточного

аустенита - б (возможная доля А_ост, заштрихована) от содержания углерода в стали

В одной и той же стали температура начала мартен­ситного превращения может быть повышена, а количест­во образовавшегося мартенсита увеличено, если прило­жить внешние упругие напряжения, либо провести пла­стическую деформацию при температурах выше М_н. Температуру начала мартенситного превращения, вы­званного пластической деформацией, обозначают М_д. Чем выше степень пластической деформации, тем боль­шим будет отличие температуры М_д от М_н.

Мартенситное превращение обычно рассматривают как фазовое превращение, происходящее в однокомпо­нентной системе. Оно в некоторых отношениях подчиняется общим закономерностям фазовых превращений в таких системах и протекает путем зарождения в неу­стойчивой при данной температуре аустенитной матрице центров мартенситной фазы и их последующего роста.

При этом следует отметить, что в отличие от других фа­зовых превращений, когда стадия роста кристаллов зани­мает длительное время, мартенситное превращение про­текает с огромной скоростью, не зависящей от темпера­туры, путем практически мгновенного образования отдельных кристаллов мартенсита. Скорость роста кри­сталлов мартенсита близка к скорости звука (порядка 1500 м/с в металле) и время роста одного кристалла близко к 10^-7 с.

Общий превращенный объем увеличива­ется за счет образования новых кристаллов, а не за счет роста уже имеющихся.

Рис. 78. Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превращения (а)

и количество остаточного аустенита (б)

По этой причине каждый кри­сталл мартенсита, образовавшийся при быстром непре­рывном охлаждении, практически формируется при по­стоянной температуре, как и в обычной однокомпонент­ной системе. Различные кристаллы образуются при раз­личных температурах и называются атермическими.

Такая скачкообразная кинетика превращения станет более понятной, если рассмотреть кратко некоторые тер­модинамические особенности процесса перестройки ау­стенита в мартенсит.

Изменение свободной энергии DF, происходящее при превращении аустенита в мартенсит, можно записать в виде суммы трех составляющих:

DF = DF_об l² d+ 2s l² + Gg² ld², (42)

где l - длина мартенситного кристалла;

d - его толщи­на.

Первый член уравнения учитывает выигрыш объемной свобод­ной энергии (при температуре М_нF_март < F_ауст), второй учитывает работу, затрачиваемую на образование по­верхности, площадью 2s l² (толщина d < длины l), третий член учитывает упругую энергию, запасаемую материа­лом при перестройке.

Скачкообразная перестройка решетки А ® М при мартенситном превращении обусловлена тем, что соседние атомы не должны обмениваться местами, а лишь сдви­гаться на небольшие расстояния, не превышающие атомные.

При этом между ориентацией решеток A(g) и М(a) существуют определенные соотношения. Так, на­пример, (001)a || (111) g, а [111] a || [101] g. Это соотноше­ние носит название соотношения Курдюмова-Закса.

Кроме указанного, часто реализуется и соотношение Нишиямы: (111)a|| (101) g, [101] a || [121] g. Закономерная ори­ентация фаз A и М кроме обеспечения высоких скоро­стей перестройки обус­ловливает малые за­траты на образование поверхности раздела, т. е. небольшие величи­ны работы образования зародыша. Пластинча­тая или иглообразная форма соответствует минимальному вкладу уп­ругой энергии.

Соотно­шение этих вкладов из­меняется с температу­рой. При прекращении охлаждения DF систе­мы быстро приближа­ется к нулю и мартенситное превращение останавливается.

Рис. 79. Параметры мартенсита и аустенита и степень тетрагональности

решетки мартенсита в зависимости от содержания углерода

Концентрация угле­рода в мартенсите во много раз превышает предел его растворимости в a - решетке, поэтому решетка мартен­сита искажена - она не кубическая, как у a - железа, а объемно-центрированная тетрагональная. Степень тетрагональности (отношение осей с/а) в углеродистых сталях зависит от содержания углерода (рис. 79), а в вы­соколегированных сталях - и от содержания легирую­щих элементов.

Следует обратить внимание на то, что не в каждой элементарной ячейке мартенсита содержится атом угле­рода. Совокупность ячеек компенсирует напряжения, воз­никающие в одной из них.

Кроме рассмотренной атермической кинетики мартенситного превращения (когда скорость акта превращения не зависит от температуры), наблюдается и изотерми­ческо е (развивающееся во времени при постоянной тем­пературе) мартенситное превращение.

Работами Г. В. Курдюмова и О. П. Максимовой показано, что если аустенит переохладить до очень низких температур (на­пример, температуры жидкого азота (- 196°С)), то скорость роста мартенситных кристаллов становится до­ступной для измерения. При изотермическом превраще­нии и общее количество мартенсита, и размеры отдельных кристаллов увеличиваются по мере увеличения времени превращения. Но после более или менее длительных вы­держек превращение затухает, а при дальнейшем сниже­нии температуры оно получает дополнительное развитие.

В заключение стоит отметить, что мартенситное превращение наблюдается не только в сталях. Это превращение носит общих характер и наблюдается в безуглеродистых сплавах на основе железа, в сплавах на основе меди, титана, циркония и других металлов.

Дата добавления: 2014-01-05