Мартенситное превращение аустенита

Мартенсит имеет совершенно отличную от других структур природу и образуется не так, как ферритоцементитные смеси. Характерной особенностью аустенитомартенситного превращения является его бездиффузионный характер.

При большом переохлаждении углерод не успевает выделиться из твёрдого раствора (аустенита) в виде частиц цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. Решётка γ-железа перестраивается в решётку α-железа. Углерод остаётся внутри решётки α-железа, в результате чего получается пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе.

Значительное пересыщение α-железа углеродом вызывает изменение объёмно-центрированной кубической решётки в тетрагональную, элементарной ячейкой которой является прямоугольный параллелепипед (рис. 2.8).

C, Fe

Рис. 2.8. Кристаллическая ячейка Рис. 2.9. Кривая мартенситного
мартенсита: превращения

Атомы углерода в такой ячейке располагаются в междоузлиях (что характерно для твердого раствора внедрения), в центре основания (сторона а) или в середине удлиненных рёбер (сторона с). Степень тетрагональности, характеризующаяся отношением осей с/а, увеличивается с повышением содержания углерода в твёрдом растворе, достигая в стали с 1,7% С значения 1,08.

Из изложенного следует, что мартенсит является пересыщенным твёрдым раствором внедрения углерода в α-железе.

Превращение аустенита в мартенсит протекает в определённом интервале температур. При охлаждении оно начинается при некоторой температуре в точке М_н (см. рис. 2.3), которая, в отличие от начала перлитного превращения, не зависит от скорости охлаждения (для данной стали). Все большее превращение аустенита в мартенсит происходит по мере понижения температуры и заканчивается при температуре М_к (см. рис. 2.3).

Характерным для мартенситного превращения является то, что даже при температуре конца превращения (точка М_к) полного образования мартенсита не происходит. Аустенит частично остаётся не превращённым в мартенсит и называется остаточным аустенитом (А_ост; рис. 2.9).

Рис. 2.10. Влияние содержания углерода на температуру начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения

Если в мартенситном интервале охлаждение приостановить и дать выдержку, то превращение аустенита в мартенсит почти сразу же прекращается. Эта особенность резко отличает мартенситное превращение от перлитного, которое полностью протекает при постоянной температуре ниже точкиА₁. После выдержки при температурах, близких к температуре в точкеМ_к, не только прекращается образование мартенсита, но и увеличивается стойкость аустенита против мартенситного превращения при последующем охлаждении, т.е. аустенит в интервале температур мартенситного превращенияМ_н-М_к стабилизируется.

Мартенситный интервал температур определяется химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем при более низкой (но постоянной) температуре происходит превращение аустенита в мартенсит (рис. 2.10). Температура в точке М_к так же, как температура в точке М_н, понижается с повышением в аустените углерода. При содержании углерода более 0,6% мартенситное превращение заканчивается при температурах ниже нуля. Поэтому, для того чтобы в высокоуглеродистых сталях получить большее количество мартенсита, их следует охлаждать до температур ниже нуля.

Аустенитомартенситное превращение сопровождается увеличением объёма. Все структуры стали можно расположить (от максимального объёма к минимальному) в следующий ряд: мартенсит – троостит – сорбит – перлит – аустенит.

Мартенситное превращение начинается с определенной для каждой марки стали температуры М_н (мартенситной точки начала превращения), которая не зависит от скорости охлаждения в широком диапазоне скоростей, в то время как температура начала перлитного превращения снижается с ростом скорости охлаждения. Образование мартенсита происходит в определённом интервале температур. Оканчивается мартенситное превращение при температуре М_к(мартенситной точке конца превращения). Положение точек М_н и М_к сильно зависит от содержания углерода в стали (см. рис. 2.10) При содержании углерода 0,4% температура М_к равна 100°, при содержании 0,6% С – лежит ниже нуля.

При температуре М_н проявляются только первые кристаллы мартенсита. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать углеродистую сталь в мартенситном интервале М_н–М_к. Если охлаждение приостановить, то образование мартенсита практически сразу же прекращается. Эта особенность наиболее ярко отличает кинетику мартенситного превращения от перлитного, которое, как показывает С–диаграмма, всегда доходит до конца при постоянной температуре ниже точки А₁ (т.е. оканчивается полным исчезновением аустенита, если время изотермической выдержки достаточно велико). После мартенситного превращения даже при охлаждении до температуры М_к, в стали сохраняется некоторое количество остаточного аустенита.

В отличие от перлитного, мартенситное превращение в углеродистой стали не имеет инкубационного периода. Длина горизонтальной линии М_н (см. рис. 2.6) никакого физического смысла (как отрезок времени, в течение которого идёт мартенситное превращение) не имеет. Горизонталь М_н соответствует температуре, ниже которой чрезвычайно быстро, практически «мгновенно», образуется некоторое количество мартенсита.

Мартенсит образуется в форме пластин, растущих с громадной скоростью (порядка 1 км/с), в том числе и при температурах ниже 0°С. После «мгновенного» образования мартенсита пластина не растёт. Количество мартенсита при охлаждении ниже точки М_нувеличивается не вследствие подрастания уже образовавшихся пластин, а в результате «мгновенного» возникновения всё новых и новых пластин. Эта особенность также резко отличает мартенситное превращение от перлитного (в процессе развития перлитного превращения не только образуются новые, но и растут ранее образовавшиеся колонии (см. рис. 2.7).

Исследование под микроскопом закаленных углеродистых сталей выявило особую микроструктуру мартенсита. Пластины мартенсита имеют тонкую линзообразную форму. Своей большой поверхностью пластины крайне редко попадают в поверхность шлифа. Произвольные сечения мартенситных пластин плоскостью микрошлифа создают ложное впечатление об игольчатой форме кристаллов. Тем не менее термины «крупноигольчатый» и «мелкоигольчатый» мартенсит широко распространены.

В зависимости от содержания углерода в стали, а следовательно, и от температурного диапазона М_н-М_к мартенситного превращения, различают два типа мартенситных кристаллов: с параллельным расположением пластин (реечный мартенсит) и с расположением пластин под определённым углом, а именно под углом 60, 120 град. (двойниковый, пластинчатый мартенсит).

Реечный мартенсит (называемый также пакетным) наблюдается в закаленных низко- и среднеуглеродистых сталях. Кристаллы этого мартенсита имеют вид реек (планок), вытянутых в одном направлении. Эти рейки объединены в пакеты. В одном зерне аустенита может быть несколько таких пакетов (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Реечный мартенсит (схема строения одного из бывших

зерен аустенита: А, В, С – три пакета)

Механизм мартенситного превращения описан в классических работах Г.В. Курдюмова. Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются одни относительно других на расстояния, не превышающие межатомные. При этом необходимо, чтобы граница раздела между старой (аустенит) и новой (мартенсит) фазами была когерентной, т.е. чтобы между решётками аустенита и мартенсита существовало хорошее сопряжение (рис. 2.12,а). Только при этих условиях возможно одновременное направление перемещения атомов на расстояния, не превышающие межатомные, когда соседи любого атома в аустените являются соседями этого же атома в мартенсите (кооперативное превращение).

Поскольку объём аустенита отличается от объёма мартенсита, то на границе между ними возникают напряжения, все время усиливающиеся с ростом мартенситного кристалла и вызывающие пластическую деформацию в аустените. В результате пластической деформации нарушается когерентность решёток мартенсита и аустенита, образуется некогерентность решёток мартенсита и аустенита, проявляется некогерентная граница (значительные искажения в расположении атомов; рис. 2.12,б); превращение может идти только диффузионным путём, а при низких температурах диффузионный переход невозможен, поэтому рост мартенситного кристалла прекращается. Характерным для мартенситного превращения является также измельчение блочной структуры, появление в кристаллах мартенсита большого числа микродвойников, повышение плотности дислокаций, что, наряду с образованием пересыщенного углеродом твёрдого раствора с тетрагональной кристаллической решёткой, обусловливает высокую твёрдость мартенсита (HRC 60-65).

Рис. 2.12. Соотношение между решётками старой (аустенит) и новой (мартенсит) фаз при мартенситном превращении

Мартенсит характеризуется высокой твёрдостью и прочностью, причём твёрдость мартенсита возрастает с увеличением в нём содержания углерода. В стали с 0,6-0,7% С твёрдость мартенсита составляет HRC 65. Предел прочности низкоуглеродистого мартенсита (0,015% С) составляет ~ 1000, а при 0,6-0,8% С достигает 2000-3000 МПа. С повышением в мартенсите содержания углерода возрастает склонность его к хрупкому разрушению. Мартенсит с содержанием более 0,3-0,4% С обладает низкой пластичностью и разрушается хрупко. Приведенные цифры механических свойств сталей со структурой мартенсита следует считать ориентировочными, так как их невозможно определить точно.

Высокая твёрдость и хрупкость мартенсита объясняется влиянием внедрённых атомов углерода в решётку α-фазы. Поверхности раздела кристаллов мартенсита представляют собой трудно преодолимые препятствия для движения дислокаций.

Мартенсит имеет наибольший удельный объём по сравнению с другими фазами и структурными составляющими стали, особенно с аустенитом. Удельный объём аустенита при содержании 0,2-1,4% С составляет 0,12227-0,12528, а мартенсита – 0,12708-0,13061 см³/г. Увеличение удельного объёма стали при образовании мартенсита является причиной возникновения больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин.

Увеличение объёма стали при закалке тем больше, чем выше содержание углерода в мартенсите, и составляет 1,13-1,20% при изменении содержания углерода от 0,4 до 0,8%. В заэвтектоидных сталях происходит уменьшение объёмных изменений при закалке вследствие увеличения количества остаточного аустенита. Наиболее чувствительна к закалочным трещинам и деформациям эвтектоидная сталь.

Бейнитное превращение

Как уже отмечалось, бейнитное превращение переохлаждённого аустенита происходит в температурном интервале, расположенном ниже перлитного, но выше мартенситного интервала (см. рис. 2.6), поэтому его часто называют промежуточным. Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита сочетает элементы перлитного и мартенситного превращений (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Схема промежуточного (бейнитного) превращения

Особенностью бейнитного превращения является его протекание в интервале температур, при которых практически отсутствует диффузия углерода. При этих температурах в переохлаждённом аустените происходит диффузионное перераспределение углерода, в результате чего образуются участки аустенита, богатые и бедные углеродом. Образование концентрационной неоднородности приводит к возникновению напряжений, а так как для обеднённых углеродом участков мартенситная точка лежит выше температуры изотермической выдержки аустенита, то напряжения приведут к g→a – превращению по мартенситной реакции, что подтверждается появлением рельефа на полированном шлифе (как и на мартенситной структуре).

Участки аустенита, обогащенные углеродом, превращения не испытывают, и при охлаждении от температуры изотермической выдержки до комнатной сохраняются аустенитными или частично испытывают мартенситное превращение.

Различают «верхний» и «нижний» бейнит, образующийся, соответственно, в верхней и нижней части бейнитного интервала температур (условная граница между ними 350°С). Верхний бейнит имеет пористое строение, а нижний – игольчатое (мартенситоподобное). Нижний бейнит по виду микроструктуры бывает трудно отличить от отпущенного мартенсита. Верхний бейнит можно отличить от нижнего по распределению карбидной фазы. Электронно-микроскопический анализ показал, что в верхнем бейните карбидные частицы расположены между пластинами феррита или по границам и частично внутри пластин, а в нижнем бейните включения карбида находятся только внутри пластины a-фазы.

Бейнит по своим свойствам, составу и структуре близок к продуктам отпуска мартенсита закаленной стали, если температуры бейнитного превращения переохлажденного аустенита и отпуска мартенсита одинаковы. Ферритная фаза в бейните является пересыщенным раствором углерода в a-железе. Карбидная фаза в верхнем бейните – цементит, а в нижнем бейните – e-карбид, который заменяется цементитом с увеличением времени выдержки (как и при отпуске стали).