Превращение аустенита в мартенсит

Из двух процессов, составляющих суть перлитного превращения аустенита (см. разд. 5.3.2), охлаждение стали со скоростямиv_охл>v_кподавляет только выделение углерода из аустенита и образование феррито-цементитной смеси (перлита). А вот полиморфная перегруппировка атомов железа из ГЦК кристаллической структуры в ОЦК (γ → α), не требующая обмена атомов железа местами (или самодиффузии), происходит настолько быстро, что еёневозможно подавить быстрым охлаждением.

Мартенситное превращение носит бездиффузионный характер. Вследствие этого весь углерод, находившийся в объеме аустенита (0,8 мас. %), который превращается в кристалл мартенсита, должен остаться в том же количестве и в кристалле мартенсита.

Механизм мартенситного превращения.

Мартенситное превращение осуществляется путём сдвига и не сопровождается изменением состава твёрдого раствора. Сдвиговой механизм превращения отличается закономерным направленным (не хаотическим) кооперативным («сразу много») смещением очень большого количества атомов железа в процессе перестройки кристаллической структуры из ГЦК в ОЦК. Отдельные атомы, располагающиеся в одной определённой кристаллографической плоскости ГЦК-структуры, смещаются относительно атомов, располагающихся в соседней параллельной плоскости, на расстояния, не превышающие межатомные, сохраняя своё взаимное соседство. Такое смещение аналогично процессу сдвига одних атомных плоскостей относительно других при пластической деформации двойникованием.Только смещения плоскостей при двойниковании не изменяют кристаллическую структуру, а при мартенситном превращении – изменяют. Сдвиговой характер перемещения атомов при мартенситном превращении схематически иллюстрируется на рис. 5.14,б.

а) б)

Рисунок 5.14 − Рельеф на полированной поверхности металлографического

шлифа (а) как результат сдвига (б), осуществляющего мартенситное превращения по сдвиговому механизму[6]

Скорость роста кристаллов мартенсита по сдвиговому механизму очень велика – ~10³ м/с.Она сопоставима со скоростью звука в стали. Кристалл мартенсита, зародившись, вырастает до конечного размераза время ~10^-7 с. Размер мартенситного кристалла ограничивается границами аустенитного зерна или ранее образовавшимися кристаллами мартенсита. Развитие мартенситного превращения осуществляется за счёт появления всё новых кристаллов мартенсита в процессе непрерывного охлаждения, которые «мгновенно» вырастают до конечного размера.

Природа мартенсита.

Мартенсит является упорядоченным пересыщенным твёрдым раствором внедрения углерода в α-железе.Если в равновесном состоянии растворимость углерода в α-железе при 20^ОС не превышает 0,006 мас. %, то его содержание в мартенсите может быть таким же, как в исходном аустените, т.е. может достигать 2,14 мас. % (см. диаграмму Fe – Fe₃Cна рис. …).

Атомы углерода занимают октаэдрические поры вдоль оси [001] в кубической решетке α-железа (мартенсита) и сильно её искажают,делаятетрагональной. Мартенсит имеет объемно-центрированную тетрагональную кристаллическую структуру, в элементарной ячейке которой один период – с– больше другого – а. При увеличении содержания углерода высота тетрагональной призмы с увеличивается, а размеры основания а уменьшаются. Отношение с/а называется степенью тетрагональности. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше степень тетрагональности кристаллической решетки, т. е. степень искажения (рис. 5.15).

Рисунок 5.15 – Параметры кристаллических

решеток аустенита и мартенсита, а также

степень тетрагональности решетки мартен-

сита в зависимости от содержания углерода

в стали (по данным различных исследовате-

лей) [6]

Установлена зависимость

с/а = 1 + 0,046С_С,

где С_С – концентрация углерода в мас. %.

Кинетика мартенситного превращения.

Мартенситное превращение не удаётся подавить быстрым охлаждением, как это может быть при диффузионных превращениях. При переохлаждении до температуры, обозначаемой М_н,аустенит начинает превращаться в мартенсит.Температура М_н в широком диапазоне значений скорости охлаждения (вплоть до тысяч ^ОС/с) не зависит от её величины.

Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже М_н. Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение практически мгновенно также остановится (в том смысле, что перестанет увеличиваться во времени количество мартенситной фазы). Это разительно отличает его от диффузионного превращения аустенита в перлит, которое полностью протекает в изотермических условиях при температуре ниже А_r1.

Мартенситное превращение аустенита в мартенсит протекает в определённом интервале температур и заканчивается при температуре М_к. Температуры М_н и М_к называются мартенситными точками. Зависимость количества образовавшегося мартенсита от температуры, до которой охлаждён образец, выражается так называемой мартенситной кривой (рис. 5.16).

Мартенситные точки зависят от состава стали; очень сильно их снижает углерод (рис. 5.17). Из рисунка видно, что в сталях с концентрацией углерода более 0,6 мас.% температура М_кнаходится ниже комнатной температуры, которую имеют большинство охлаждающих (закалочных) сред. Это приводит к сохранению большого количества остаточного аустенита в высокоуглеродистых сталях,подвергаемых полной закалке.

А_ост

Количество мартенсита, %

100 Рисунок 5.16– Мартенситная кривая

М_к для низкоуглеродистой стали:

75 точка М_н – началопревращения А → М,

точка М_к – окончание превращения А → М.

Мартенситное превращение не

25 идёт до конца, даже если М_квыше ком-

натной температуры: в стали всегда су-

0 ществует так называемый остаточный

300М_н 200 100 0 аустенит (в количестве до 2%).

Температура, ^ОС

Рисунок5.17 – Зависимость мартенситных точек от концентрации углерода

(по данным различных исследователей) [6]

Морфология (микроструктура и субструктура) мартенсита.

Под морфологией в данном случае понимают характеристику формы и взаимного расположения кристаллов мартенсита относительно друг друга, наблюдаемых в оптическом микроскопе, а также характеристику дефектов кристаллического строения мартенсита, выявляемых в электронном микроскопе.

В сталях различают две основных морфологических типов мартенсита:

- реечный (он жемассивный, пакетный, дислокационный, «бесструктурный»),

- пластинчатый (он же двойниковый, игольчатый, линзообразный, оладьеобразный[10], молниеобразный, фермообразный, «zig-zag»).

Пластинчатый мартенсит образуется в углеродистых сталях с концентрацией более 1 мас.% С, т.е. с относительно низкой температурой М_н. Реечный («бесструктурный») мартенсит – в сталях, содержащих менее 0,6 мас. % С. В диапазоне концентраций углерода 0,6 … 1,0 мас.% наблюдается смешанная морфология микроструктуры мартенсита.

Для пластинчатого мартенсита характерно выстраивание линзовидных кристаллов в виде «ферм» или «зигзагов» (рис. 5.18). Мартенситные пластины, образовавшиеся в первую очередь, могут «пройти» через всё зерно аустенита, а появляющиеся при боле низкой температуре располагаются между ними. Часто в сечении пластины видна средняя линия повышенной травимости – мидриб – представляющий собой скопление параллельных двойников (отсюда и термин – «двойниковый»), различаемых только с помощью электронного микроскопа.

Рисунок 5.18 – Микроструктура пластинчатого мартенсита [11]

(на левом изображении – редкий случай, когда плоскость

мартенситной пластины совпала с плоскостью шлифа)

Реечный мартенсит, образующийся в мало- и среднеуглеродистых сталях, стал называться таким лишь в результате наблюдения и изучения его при больших увеличениях (5 … 20 тысяч раз) в электронном микроскопе. Это произошло в 60-х годах прошлого века. До этого наблюдаемая в оптический микроскоп с увеличениями порядка 500 крат, т. е . принедостаточном разрешении, микроструктура мартенсита характеризовалась как «бесструктурный мартенсит» (рис. 5.19, а).На самом деле «бесструктурный мартенсит» образуется в виде кристаллов-реек, вытянутых вдоль направления <111> решетки аустенита. Толщина реек 0,2 … 2 мкм, типичное соотношение толщины, ширины и длины рейки – 1 : 7 : 30. Рейки параллельны друг другу и укладываются в пакеты – скопления параллельных реек. Пакеты смыкаются друг с другом обыч-

а) б)

Рисунок 5.19 – Микроструктура реечного (пакетного) мартенсита:

а) «бесструктурный» мартенсит, х500 [11],

б) пакетное строение реечного мартенсита

в стали с 0,45 мас.% С, х1000 [3]

но под углом 60^О. Пакетное строение реечного мартенсита можно наблюдать в оптическом микроскопе, однако при увеличении уже в1000 крат (рис. 5.19,б). Мартенситные рейки насыщены дислокациями, плотность дислокаций достигает 10¹¹ ... 10¹² см^-2, т. е. как в сильно деформированном (наклёпанном) металле.

Механические свойства сталей с мартенситной структурой.

Характерной особенностью мартенсита являются его высокая твёрдость и прочность и малая пластичность. Твёрдость мартенсита возрастает с увеличением в нём содержания углерода (рис. 5.20) и мало изменяется от наличия легирующих элементов.В стали с 0,6 – 0,7 мас.% С твёрдость мартенсита достигает значений 65HRC, 960 HV, что во много раз больше твёрдости феррита.

Рисунок 5.20 – Зависимость твёрдости мартенсита в углеродистых

и легированных сталях от содержания углерода

Временное сопротивление σ_внизкоуглеродистого мартенсита (0,025 мас.% С) составляет 1000 МПа, а при 0,6 – 0,8 мас.% С достигает 2600 … 2700 МПа. Вместе с тем, даже в испытаниях на статическое растяжение твёрдозакалённых сталей (> 58 HRC) наблюдаются и гораздо меньшие значения предела прочности из-за преждевременного хрупкого разрушения. Разброс (нестабильное поведение) значений прочности закалённой стали возрастает при увеличении содержания углерода выше 0,4 мас. %, что иллюстрируется заштрихованной областью на рис. 5.21.

С повышением в мартенсите содержания углерода возрастает склонность его к хрупкому разрушению. Это иллюстрирует график поведения ударной вязкости КSUзакалённой стали на рис. 5.22 .Мартенсит, содержащий свыше 0,35 – 0,4 мас.% С, обладает пониженным сопротивлением зарождению трещины и особенно низким значением вязкости разрушения К_1св сравнении с нормализованными сталями.Хрупкость стали увеличивается также с укрупнением мартенситных кристаллов (мартенситных игл в высокоуглеродистых сталях). Последнее имеет место при закалке стали с крупным зерном аустенита.

Рисунок 5.21 – Зависимость прочности мартенсита в закаленных

углеродистых сталях от концентрации углерода в сравнении с

прочностью феррито-цементитной смеси в нормализованных сталях

Твёрдость мартенсита обязана образованию пересыщенного углеродом твёрдого раствора, отчего элементарные кристаллические ячейки его искажены, тетрагональны. Чем больше углерода в стали, тем больше искажённость тетрагональной решётки мартенсита и больше твёрдость. Твёрдость мартенсита зависит, в первую очередь, от содержания в мартенсите (в стали) углерода [3,5,6].

Высокая статическая прочность (σ_0,2 ,σ_в) мартенсита обусловлена действием нескольких механизмов упрочнения, играющих разную роль в малоуглеродистых и высокоуглеродистых сталях. В низкоуглеродистом мартенсите

Рисунок 5.22 – Зависимость ударной вязкости закаленных

углеродистых сталей от концентрации углерода

в сравнении с вязкостьюнормализованных сталей

упрочнение как следствие торможения дислокаций обеспечивается их высокой плотностью – 10¹⁰ … 10¹² см^-2. Мартенсит оказывается сильно наклёпанным. Кроме того, скопление атомов углерода на дислокациях (атмосферы Коттрелла) оказывают дополнительный упрочняющий эффект за счёт уменьшения подвижности дислокаций. Однако роль углерода в упрочнении малоуглеродистого мартенсита незначительна. Установлено также, что в мартенсите закалённой малоуглеродистой стали дислокации некоторых типов всё-таки отличаются достаточной подвижностью, чтобы обеспечить микропластическую деформацию без образования трещин и, тем самым приемлемую ударную вязкость[5].

В кристаллах мартенсита высокоуглеродистой стали установлено образование двойников (отсюда и одно из названий морфологического типа мартенсита – «двойникованный»). Считается, что у этих сталей барьерами для дислокаций являются границы двойников, перед которыми дислокации скапливаются и создают очаг зарождения трещины. Этим объясняется высокая хрупкость закалённой высокоуглеродистой стали. Атомы углерода в тетрагональной решётке мартенсита оказывают дополнительное сопротивление движению дислокаций и, главное, придают этому сопротивлению резкую температурную зависимость, снижая порог хладноломкости[6].

В структуре закалённых высокоуглеродистых и некоторых легированных сталей имеется большое количество остаточного аустенита, который оказывает негативное влияние на механические и другие свойства сталей: снижает твёрдость, ухудшает шлифуемость, уменьшает стабильность размеров измерительного инструментав период службы).