5. МАРТЕНСИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ В СТАЛИ

Природа мартенсита. Мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в -железе. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в а-железе при не превышает то его содержание в мартенсите может быть таким же, как в исходном аустените, т. е. может достигнуть

Атомы углерода занимают октаэдрические поры вдоль оси в решетке а-железа (мартенсита) и сильно ее искажают. Мартенсит имеет тетрагональную решетку (рис. 117, а), в которой один период больше другого — При увеличении

Рис. 117. Кристаллическая структура мартенсита: а — кристаллическая решетка; б - периода решетки в зависимости от содержания углерода

содержания углерода высота тетрагональной призмы увеличивается, а размеры ее основания уменьшаются (рис. 117, б).

Следовательно, чем больше в мартенсите углерода, тем больше отношение , т. е. больше тетрагональность решетки. Отношение , где С — концентрация углерода в аустените, по массе.

Механизм мартенситного превращения. Мартенситное превращение происходит только в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлажден до низких температур, при которых диффузионные процессы становятся невозможными. Превращение носит бездиффузионный характер, т. е. оно не сопровождается диффузионным перераспределением атомов углерода и железа в решетке аустенита.

Мартенситное превращение осуществляется путем сдвига и не сопровождается изменением состава твердого раствора.

Сдвиговый механизм превращения отличается закономерным кооперативным направленным смещением атомов в процессе перестройки решетки. Отдельные атомы смещаются относительно друр друга на расстояния, не превышающие межатомные, сохраняя взаимное соседство, однако величина абсолютного смещения растет пропорционально удалению от межфазной границы. Это приводит к макроскопическому сдвигу, внешним проявлением которого является микрорельеф на поверхности металлического шлифа (рис. 118, а). В процессе превращения кристаллы мартенсита сопряжены с аустенитом по определенным кристаллографическим плоскостям (см. рис. 33) и межфазная граница не образуется.

Пока на границе мартенсита и аустенита существует сопряженность решеток (когерентность), скорость образования и роста кристаллов мартенсита очень велика

Рис. 118. Микроструктура мартенсита: а - мартенситный рельеф; б — высокоурлеродистый пластинчатый мартенсит и остаточный аустенит, в - низкоурлеродистый реечный мартенсит (стрелки указывают на оотаточный аустенит, Х2700); г - реечный мартенсит стали, содержащей

В процессе роста мартенситноро кристалла вследствие разности удельных объемов аустенита и мартенсита увеличиваются упругие напряжения в области когерентного сопряжения, что в конечном счете приводит к пластической деформации и образованию межфазной границы с неупорядоченным расположением атомов. Сопряженность решеток нарушается и по достижении растущим кристаллом границы зерна (субграницы) или других дефектов кристалла. При нарушении когерентности решеток дальнейший упорядоченный переход атомов из аустенита в мартенсит становится невозможным, и рост кристалла мартенсита прекращается.

Диффузионный переход атомов из кристаллов аустенита в мартенсит при низких температурах невозможен. Дальнейшее превращение протекает в результате образования новых кристаллов мартенсита.

Кинетика мартенситного превращения. Мартенситное превращение в общем случае не удается подавить быстрым охлаждением, как это может быть при диффузионных превращениях. При переохлаждении до температуры, соответствующей точке М, аустенит начинает превращаться в мартенсит. Следовательно,

Рис. 119. Мартенситные кривые для высокоуглеродистой (а) и низкоуглеродистой (б) сталей остаточный аустенит): мартенситная кривая после стабилизации ауотенита

температура, отвечающая точке М, соответствует началу мартенситного превращения.

Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже температуры Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение практически также остановится. Эта особенность мартенеитного превращения резко отличает его от диффузионного перлитного, которое полностью протекает в изотермических условиях при температуре ниже точки Зависимость количества образовавшегося мартенсита от температуры, до которой охлажден образец, может быть выражена так называемой мартенситной кривой

Чем ниже температура, тем больше образуется мартенсита. Количество мартенсита при этом возрастает в результате образования все новых и новых кристаллов, а не вследствие роста уже возникших кристаллов, имеющих некогерентную границу. По достижении определенной для каждой стали температуры превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эту температуру окончания мартенеитного превращения обозначают . Положение точек

Рис. 120. Температура мартенситнвга точек а - влияние оодержания углерода; б - влияние содержания лерирующии элементов

не зависит от скорости охлаждения и обусловлено химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже температура точек . Все легирующие элементы, растворенные в аустените, за исключением кобальта и алюминия, понижают точки .

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

Кристаллы мартенсита в зависимости от состава стали, а следовательно, и от температуры своего образования могут иметь различные морфологию и субструктуру. Различают два типа мартенсита — пластинчатый и реечный (рис. 121). Пластинчатый мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях, характеризующихся низкой температурой мартенситной точки (см. рис. 119, 120). В этом случае кристаллы мартенсита состоят в средней своей части из большого числа микродвойников, образующих среднюю зону повышенной травимости, называемую нередко мидрибом (рис. 121).

На рис. 118, б приведена микроструктура такого мартенсита. Его кристаллы представляют собой широкие пластины. В плоскости шлифа они имеют вид игл.

Наиболее часто (конструкционные углеродистые и легированные стали) кристаллы мартенсита имеют форму тонких реек (реечный мартенсит), вытянутых в одном направлении (см. рис. 118, в, 121). Чаще образуется и наблюдается пакет из реек (см. рис. 121). Такой высокотемпературный мартенсит называют массивным, в отличие от игольчатого (см. рис. 118).

Тонкая структура реечного мартенсита сложна и представляет собой запутанные дислокации высокой плотности при отсутствии двойниковых кристаллов. В легированных сталях нередко внутри мартенсш пакетов между кристаллами мартенсита сохраняются прослойки остаточного аустенита (см. рис. 118, в и г и 121, б).

Размеры кристаллов любой морфологии мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита. Они тем крупнее, чем больше зерно аустенита. Первая пластина мартенсита имеет протяженность, соответствующую поперечному размеру зерна аустенита. Кристаллы, образующиеся при более низких температурах,

Рис. 121. Схема пластинчатою (игольчатого) (а) и реечного (массивного) (б) мартенсита

стеснены в евоем развитии и имеют меньшие размеры (см. рис. 121].

Остаточный аустенит. В закаленных сталях, имеющих точку ниже а именно в углеродистых сталях, содержащих свыше (см. рис. 120, а), присутствует остаточный аустенит. Его количество тем больше, чем ниже температура точек т. е. чем выше содержайие в аустените углерода и легирующих элементов (за исключением и . В стали количество остаточного аустенита не превышает а в стали, содержащей , оно достигает

В некоторых сталях с высоким содержанием углерода и легирующих элементов, например в стали с количество остаточного аустенита после закалки с высоких температур может достигать Это объясняется снижением температуры, соответствующей точке в область отрицательных температур. При большом количестве остаточного аустенита его можно наблюдать в микроструктуре закаленной стали в виде светлых полей между иглами мартенсита (см. рис. 118, б).

Стабилизация аустенита. Если задержать на некоторое время охлаждение при температуре, лежащей ниже температуры, соответствующей точке например 20° С (см. рис. 119, а), то аустенит, сохранившийся непревращенным при охлаждении до этой температуры, становится более устойчивым. Подобная стабилизация аустенита выражается в том, что при последующем понижении температуры превращение аустенита в мартенсит возобновляется не сразу (см. рис. 119, а), а происходит при более низкой температуре и менее интенсивно. Количество образующегося в итоге мартенсита оказывается меньшим, чем при непрерывном охлаждении. Это явление стабилизации проявляется более сильно в интервале температур и зависит от температуры, при которой задерживалось охлаждение. Температура, ниже которой проявляется этот эффект стабилизации, обозначается Явление стабилизации иногда объясняют релаксацией напряжений, которые стимулируют мартенситное превращение.

Свойства мартенсита. Характерной особенностью мартенсита являются его высокая твердость и прочность. Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода (рис. 132, б); в стали с 0,6-0,7 % С твердость мартенсита что во много раз больше твердости феррита.

Временное сопротивление низкоуглеродистого мартенсита составляет а при 0,6-0,8 % С достигает Однако с повышением в мартенсите содержания углерода возрастает склонность его к хрупкому разрушению. Мартенсит, содержащий свыше , обладает пониженным сопротивлением зарождению трещины и особенно низким значением вязкости разрушения Твердость (прочность) мартенсита обязана образованию пересыщенного углеродом

твердого раствора, атмосфер Коттрелла на дислокациях, высокой плотности дислокаций и большому числу различного рода границ и субграниц, затрудняющих движение дислокаций. Хрупкость мартенсита связана образованием атмосфер из атомов углерода на дефектах строения.

Мартенсит по сравнению 6 другими структурными составляющими стали, и особенно аустенитом, имеет наибольший удельный объем. Удельный объем аустенита при содержании составляет а мартенсита Увеличение удельного объема при образовании мартенсита является одной из основных причин возникновения при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин.

Наибольшее увеличение объема наблюдается у эвтектоидной стали, поэтому она наиболее чувствительна к закалочным трещинам и деформациям.