Мартенситное превращение ( III превращение)

Мартенситное превращение наблюдается во многих сплавах. Но наибольшее практическое значение оно приобрело для сталей, так как благодаря мартенситному превращению достигается значительное упрочнение стали.

Мартенситное превращение носит бездиффузионный характер, так как при g®a превращении, протекающем с огромной скоростью – скоростью распространения звука в металле – атомы углерода не успевают выделиться из кристаллической решетки аустенита и при g®a перестройке решетки остаются в ней. Наличие избыточных атомов углерода (растворимость углерода в a-железе в соответствии с диаграммой Fe-FеC составляет 0,025%) приводит к тому, что кристаллическая решетка искажается и из кубической превращается в тетрагональную (с/а >1) (рис. 11).

Рис. 11. Объемно-центрированная тетрагональная решетка мартенсита

Степень искажения решетки с/а прямо пропорциональна концентрации углерода. Поскольку мартенситное превращение состоит в перестройке решетки аустенита, в которой атомы не меняются местами (бездиффузионно), а смещаются (сдвигаются) друг относительно друга, то кристаллы имеют ориентационную связь (рис. 12). Ориентировка кристаллов мартенсита (пластин или линз) идет по определенным плоскостям и направлениям (рис. 12) (направление (111) // (101)), плоскости ([101] // [111]). Следствием сдвигового механизма превращения на полированной поверхности шлифа является характерный рельеф.

Рис. 12. Атомно-кристаллический механизм перестройки

Согласно теории, мартенситный кристалл образуется на плоскости сдвига в момент ее образования. Главную роль играют напряжения. Источниками напряжений являются: градиент температур по сечению; анизотропия механических свойств; неоднородность химического состава; структурные несовершенства; разная ориентировка кристаллов в пространстве; различный удельный объем аустенита и мартенсита; различные коэффициенты линейного расширения фаз.Удельный объем аустенита при количестве углерода от 0,2-1,4 % составляет 0,12227 – 0,12528 см³/г; мартенсита – 0,12708 – 0,13061 см³/г.

Напряжения, возникающие в результате изменения температуры концентрируются в отдельных участках аустенита, образуя энергетические флуктуации. Релаксация (разряжение) напряжений происходит путем сдвига по определенным плоскостям и направлениям (рис. 8.12). В момент сдвига образуется порция мартенситных пластин (игл). Время образования порции мартенситных пластин (игл) изменяется в пределах от 0,5×10^-7 до 5,7×10^-8 в зависимости от размера пластин. Средняя скорость роста составляет около 10³ м/с (1 км/с), близка к скорости звука в твердом теле и не зависит от температуры превращения. Кристаллы растут до определенных размеров, после чего рост прекращается.

Аустенитно-мартенситное превращение (рис.13, б) проходит в интервале температур М_н – М_к (М_н, М_к – мартенситные точки: н – начало, к – конец превращения). При данной температуре с огромной скоростью образуется только определенное количество (порция) мартенсита, остается остаточный аустенит. Для возобновления процесса нужно дополнительное охлаждение.

Рис. 13. Мартенситная кривая (а) и зависимость мартенситных точек от содержания углерода (б)

Мартенситное (А →М) превращение не идет до конца, в стали всегда остается остаточный аустенит (рис. 13, а). Наличие остаточного аустенита наряду с мартенситом понижает твердость стали, ухудшает ее шлифуемость. Кроме того, превращение аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема, что приводит к появлению внутренних напряжений, вызывающих коробление стальных изделий и даже трещинопоражаемость (если внутренние напряжения превышают предел прочности стали).

Мартенсит имеет игольчатое строение. Размер игл определяется размерами бывшего аустенитного зерна. Так, при перегреве стали зерно аустенита укрупняется, что при охлаждении вызывает образование крупноигольчатого маретнсита. Для получения более высокого комплекса свойств на практике стремятся получать после закалки мелкоигольчатый мартенсит.

Поскольку превращение А®М протекает бездиффузионным путем и углерод из аустенита не выделяется, содержание углерода в мартенсите будет соответствовать содержанию его в аустените, из которого он образовался.

Положение точек мартенситного превращения зависит от состава стали. Сильно снижает положение точек М_н и М_к концентрация углерода (рис. 13, б).

Итак, особенностями мартенситного превращения являются:

1) бездиффузионный сдвиговый механизм;

2) ориентированность кристаллов в пространстве;

3) ультразвуковая скорость образования порции кристаллов мартенсита;

4) тетрагональность решетки (с/а);

5) незаконченность превращения А → М;

6) необратимость превращений А → М;

7) очень высокая твердость мартенсита (HRC 55-65) и хрупкость из-за повышенной плотности дефектов (дислокаций) внутри кристалла мартенсита.

Дата добавления: 2015-06-27