Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 4. Мартенситное превращениеЕсли скорость охлаждения стали от высоких температур (выше Мартенсит в углеродистой стали есть пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в решетку Мартенситное превращение было открыто при изучении закалки и первоначально под ним подразумевался только процесс, приводящий к образованию мартенсита в сталях. Однако впоследствии было установлено, что мартенситное превращение следует трактовать шире, так как его характерные особенности наблюдаются не только в сталях, но и в других железных сплавах, цветных сплавах и даже в полупроводниках. Поэтому в настоящее время под мартенситным превращением понимается особый вид фазового превращения в твердом теле, протекающего по бездиффузионному, сдвиговому механизму, называемому мартенситным, а под мартенситом — продукт такого превращения. Можно выделить следующие характерные особенности мартенситного превращения в стали: 1. Мартенситное превращение — бездиффузионное. Концентрация углерода в мартенсите такая же, как и в исходном аустените, мартенсит — перенасыщенный твердый раствор углерода в 2. Механизм 3. Несмотря на то, что относительные перемещения атомов малы, абсолютные смещения атомов при мартенситном превращении могут достигать значительных макроскопических размеров (при этом происходит изменение формы превращенного объема аустенита), что является следствием сдвигового механизма превращения и приводит к образованию на поверхности полированного шлифа стали характерного рельефа (рис. 197) подобно наблюдаемому при пластической деформации (см. рис. 42, б). 4. Кристаллическая решетка мартенсита в сталях не кубическая как
Рис. 197. Рельеф (в) на поверхности шлифа, возникающей в результате мартенснтного превращения. и схема рельефа (б) 5. Между кристаллическими решетками аустенита и мартенсита существует определенное кристаллографическое соответствие (ориентационное соотношение). В сталях и железных сплавах встречаются ориентационные соотношения, близкие к соотношению Курдюмова-Закса 6. Наибрлее типичной формой мартенситного кристалла является пластина или линза с малым отношением толщины к другим линейным размерам, имеющая сложное внутреннее строение. Форма мартенситных кристаллов соответствует минимуму упругой энергии, возникающей при мартенситном превращении.
Рис. 198. Параметры кристаллических решеток аустенита и мартенсита и тетрагональность решетки в зависимости от содержания углерода в стали (по данным разных исследователей) 7. Время образования одного кристалла мартенсита менее 8. А М превращение протекает в определенном температурном интервале: начинается при температуре Мн и заканчивается при более низкой температуре 9. Температура
Рис. 199. Мартенситная кривая
Рис. 200. Зависимость мартенситиых точек от содержания углерода (по данным равных исследователей) 10. Мартенситные точки зависят от состава стали; сильно Мн и 11. А - М превращение не идет до конца: в стали всегда существует так называемый остаточный аустенит 12. Приложение внешних упругих напряжений или деформаций увеличивает количество образуемого мартенсита и повышает температуру начала его образования. Температура, ниже которой возможно образование мартенсита при деформации, обозначается Рассмотрим подробнее некоторые вопросы теории мартенситного превращения. Многочисленными рентгеноструктурными исследованиями было установлено, что тетрагональность решетки мартенсита сталей увеличивается с ростом содержания углерода по зависимости
В железных сплавах, не содержащих углерод (например
Рис. 201. Зависимость количества остаточного аустенита от содержания углерода (заштрихованная полоса учитывает возможность разных условий охлаждения в интервале
Рис. 202. Объемноцентрированная тетрагональная решетка углеродистого мартенсита. Все октаэдрические междоузлия по оси Многочисленными металлографическими исследованиями, проведенными в 30—50-х годах, было установлено, что в закаленных углеродистых сталях кристаллы мартенсита имеют форму пластин или линз, а пересечение плоскости шлифа пластинами мартенсита придает последним вид игл (рис. 203). Различали крупноигольчатый мартенсит, который образуется в больших зернах аустенитами, как правило, в сталях с относительно низкой температурой Мн, и мелкоигольчатый мартенсит, образующийся в мелких аустенитных зернах. При очень малых размерах мартенситных игл, когда они практически неразличимы в световом микроскопе, мартенсит иногда называли неправильными с точки зрения терминологии названиями — бесструктурным, массивным. Применение в начале 60-х годов метода дифракционной электронной микроскопии к изучению строения мартенсита в различных сплавах и сталях совместно с методом световой микроскопии позволило установить, что мартенситные кристаллы имеют сложное внутреннее строение. Были выделены два основных структурных типа мартенсита: пластинчатый (двойниковый) и реечный (дислокационный). Пластинчатый мартенсит образуется в углеродистых и легированных сталях и в сплавах с относительно низкой температурой
Рис. 203. Структура мартенсита в сталях массового назначения: а — крупнонголъчатый; б — мелкоигольчатый, С понижением температуры Мн ширина мидриба увеличивается и при низких температурах образования кристаллы мартенсита становятся полностью двойникованными (рис. В мало- и среднеуглеродистых сталях, в высоколегированных сплавах железа Образование различных структурных типов мартенсита определяется прежде всего температурой его формирования, зависящей от состава сплава и ряда других факторов. Необходимо учитывать, что, если интервал (кликните для просмотра скана) различной температуре. При более высокой температуре, когда прочность аустенита низка, образуется дислокационный (реечный) мартенсит. С понижением температуры доля реечного мартенсита уменьшается и возрастает доля двойникового (пластинчатого) мартенсита (рис. 206), что указывает на тесную связь между мартенситным превращением и способностью аустенита к пластической деформации.
Рис. 206. Структура реечного (пакетного) мартенсита (железоникелевый сплав): а — световая микроскопия, Х400; б — просвечивающая электронная микроскопия, Известно, что при высокой температуре пластическая деформация аустенита происходит путем сдвигов, а при низкой — двойни кованием. Наличие напряжений II рода (между различно ориентированными кристаллами) для реализации превращения показывает тот факт, что в монокристальных аустенитных порошках мартенситное превращение не идет, тогда как в поликристальных образцах того же состава происходит мартенситное превращение. Все же при некоторых общих чертах мартенеитного превращения с другими оно (и в первую очередь образование двойникового мартенсита) имеет отличительные особенности: 1) процесс термически не активируемый и протекает с такой же высокой степенью активности как при комнатной температуре, так и вблизи абсолютного нуля (4,2 К); 2) наличие напряжений необходимо, чтобы вызвать мартенситное превращение.
Рис. 206. Влияние содержания углерода на относительное количество реечного мартенсита, температуру Мн и количество остаточного аустенита Мартенсит с гексагональной решеткой (е-мартенсит) в марганцевых и ряде других сплавов и сталях с низкой энергией дефектов упаковки образуется в форме пластин различной ширины, содержащей большое количество дефектов упаковки и дислокаций (рис. 207). Строение мартенситных кристаллов цветных сплавов принципиально не отличается от такового для железных. Преимущественно наблюдается пластинчатый мартенсит, содержащий тонкие двойники, а также в ряде случаев дефекты упаковки. Мартенсит, образующийся под действием деформации аустенита, отличается от мартенсита, образующегося только под действием охлаждения в том же сплаве, более развитой дислокационной структурой и меньшей толщиной кристаллов. Наиболее просто и наглядно кристаллогеометрию мартенситного превращения в стали можно описать схемой Бейна (рис. 208). Для этого в двух соседних элементарных г. ц. к. ячейках аустенита надо выделить тетрагональную ячейку с о. ц. т. решеткой с отношением
Рис. 207. Мартенсит с г. п. у. решеткой (е-мартенсит) в марганцевых сплавах: а — световая микроскопия, Х400: б — просвечивающая электронная микроскопия. При деформации Бейна все атомы углерода в решетке аустенита оказываются в междоузлиях (они называются октаэдрическими, так как находятся в окружении шести атомов железа) по оси [001] решетки мартенсита, вызывая ее тетрагональное искажение. Однако деформация Бейна является, по-видимому, только наглядной схемой, в действительности движения атомов при мартенситном превращении более сложные. Об этом свидетельствуют, в частности, наблюдаемые ориентационные соотношения между решетками аустенита и мартенсита. По существующей теории бейновскую деформацию надо дополнять еще одной — дополнительной, которая осуществляется или двойникованием, или дислокационным скольжением. В этом случае получаются наблюдаемые ориентационные соотношения и становится понятным наличие в кристаллах мартенсита двойников и дислокаций. Описанный кристаллографический механизм приводит в макромасштабах к изменению формы превращенных объемов и образованию поверхностного рельефа. Для других кристаллографических перестроек при мартенситных превращениях (например, г. ц. к. - г. п. у. или о. ц. к. — ромбическая решетка) в железных и цветных сплавах также разработаны соответствующие кристаллогеометрические схемы. Мартенситное превращение, как и любое другое фазовое превращение, подчиняется термодинамическим закономерностям и, в частности, тому факту, что термодинамически более устойчивой (стабильной) является фаза с меньшей свободной энергией. Согласно схеме на рис. 173 мартенсит при всех температурах имеет большую свободную энергию, чем перлит. Однако надо учесть, что перлит является равновесной фазой, образующейся при медленном охлаждении стенита, а мартенсит — неравновесной (метастабильной) фазой, которая отсутствует на диаграмме состояния сплавов
Рис. 208. Схема Бейна: а — сдвоенная г. ц. к. решетка аустенита (показаны не все атомы железа; атомы углерода находятся в октаэдрических междуузлиях); б — выделенная о. ц. т. решетка с Это переохлаждение нужно для запаса химической свободной энергии При нагреве выше То свободная энергия мартенсита становится больше свободной энергии аустенита (см. рис. 178) и возможно обратное превращение мартенсита в аустенит. Как и для прямого, так и для обратного превращения необходим температурный гистерезис
Рис. 209. Температуры пряного В сталях обратное превращение не имеет места, так как из-за высокой подвижности атомов углерода в твердом растворе внедрения еще до достижения температуры При рассмотрении развития мартенситного превращения при изменении температуры и во времени, т. е. кинетики мартенситного превращения, можно выделить два типа превращения: атермическое и изотермическое. При атермическом мартенситном превращении количество мартенсита увеличивается при непрерывном охлаждении от продолжить охлаждение. Атермическое мартенситное превращение (точнее атермическая кинетика превращения) характерно для большинства сталей и сплавов. В некоторых из них
Рис. 210. Мартеисятиая кривая: а — при непрерывном охлаждении; б — при выдержке в интервале мартенситного превращения Если прервать процесс охлаждения в области мартенситного превращения, то наблюдается эффект стабилизации аустенита: для протекания дальнейшего превращения надо переохладить аустенит до определенной температуры, при этом количество образовавшегося мартенсита будет меньше, чем при непрерывном охлаждении (рис. 210). Стабилизация аустенита наблюдается только в сталях, поэтому для объяснения этого эффекта предполагают, что при остановке мартенситного превращения происходит образование кластеров (скоплений) атомов углерода на дислокациях в аустените, сдерживающее процесс мартенситного превращения. Кроме того, надо учесть влияние релаксации упругих напряжений вокруг образовавшихся ранее мартенситных кристаллов. Наиболее характерная структура мартенсита, образовавшегося в результате атермического мартенситного превращения («термический» мартенсит) при низких температурах — полностью или частично двойникованные кристаллы, выстроенные в виде «ферм» (рис. 211), т. е. по принятой выше терминологии «атермический» мартенсит относится к пластинчатому типу. Если «атермический» мартенсит образуется при повышенных температурах В ряде сплавов
Рис. 211. Атермическнй мартенсит: а - Х500; б - X 30 000 Мартенсит, образовавшийся в результате изотермического мартенситного превращения («изотермический» мартенсит) при низких температурах отличается по структуре от «атермического» мартенсита прежде всего тем, что кристаллы имеют значительно меньший размер и выстроены в виде рядов так, что каждый кристалл оказывается смещенным относительно друг друга на небольшое расстояние (рис. 213); часто кристаллы образуют тупоугольные соединения. В отличие от «атермического» мартенсита, где препятствиями для роста мартенситного кристалла являются границы зерен, двойников, другие кристаллы мартенсита, для продолжения роста кристаллов «изотермического» мартенсита эффективных препятствий не обнаруживается: они как бы вязнут в аустенитной матрице. Кристаллы изотермического мартенсита могут быть как полностью дислокационными, так и содержать двойниковый мидриб. При этом двойники в мидрибе кристалла «изотермического» мартенсита более толстые, чем в кристаллах «атермического» мартенсита и их толщина может изменяться в широких пределах (10—100 нм). Кристаллы «изотермического» мартенсита по принятой терминологии можно отнести к реечному мартенситу. По многим признакам структура «изотермического» мартенсита похожа на структуру кристаллов, образовавшихся под действием деформации. В сталях и некоторых сплавах наблюдалось, когда изотермическое и атермическое мартенситные превращения как бы накладываются друг на друга (перекрываются температурные интервалы их образования), и в структуре наблюдаются кристаллы разного строения (или как принято называть — разной морфологии) образовавшиеся по разной кинетике превращения. Удалось (И. Я. Георгиева) подобрать такой сплав температурным интервалом устойчивости аустенита и наблюдаются как бы две мартенситные точки (рис. 214). В интервале Рис. 212. (см. скан) Изотермическое превращение аустенита в мартенсит (сплав Кинетические варианты мартенситного превращения приведены на рис. 215. В первом случае (рис. 215» а) превращение начинается с атермического, а при более низких температурах протекает изотермически. Во втором случае (рис. 215, б) изотермическое и атермическое мартенситные превращения накладываются друг на друга и превращение в зависимости от скорости охлаждения может начинаться как с атермического (быстрое охлаждение), так и с изотермического (медленное охлаждение). В третьем случае (рис. 215, в) область изотермического превращения лежит выше температуры Мн.
Рис. 213. Изотермический мартенсит (сплав Если при этом резком охлаждении до На сплаве Отмеченные различия в атермической и изотермической кинетиках мартенситного превращения, а также в продуктах превращения, по-видимому, связаны с различным характером процесса зарождения мартенсита при этих превращениях. Некоторую роль может также играть изменение механизма релаксации внутренних напряжений, возникающих при превращении. Однако имеются и некоторые общие кинетические черты, которые определяются самой природой мартенситного бездиффузионного превращения. Это прежде всего огромная скорость роста отдельных мартенситных кристаллов даже при самых низких температурах, увеличение количества мартенсита не за счет роста ранее образовавшихся, а за счет образования новых кристаллов, автокаталитичность процесса (т. е. образование первых кристаллов мартенсита ведет к появлению новых, что является следствием увеличения упругих напряжений на границе образовавшегося мартенситного кристалла). Чтобы понять, почему останавливается рост мартенситного кристалла, надо принять во внимание, что границы между двумя фазами (например между аустенитом и мартенситом) могут быть когерентными, полукогерентными и некогерентными (рис. 216).
Рис. 214. Изотермическая
Рис. 215. Схемы кинетических вариантов мартенситного превращения На когерентной границе решетка одной фазы непосредственно, плавно переходит в решетку другой фазы. Из-за разного удельного объема фаз (превращение В теории мартенситного превращения считается, что бездиффузионность и кооперативный характер смещения атомов при превращении ответственны за когерентность решеток аустенита и мартенсита на первых стадиях процесса и приводит к огромной скорости движения когерентной межфазной границы, т. е. росту мартенситного кристалла. Однако этот рост приводит к накоплению упругой деформации на когерентной границе и к последующему нарушению (срыву) когерентности. Рост кристалла мартенсита прекращается и превращение развивается за счет образования новых кристаллов. Представление о когерентном росте кристаллов мартенсита лежит в основе термоупругого мартенситного превращения (эффект Курдюмова—Хандроса), наблюдаемого в ряде сплавов
Рис. 216. Схемы строения когерентной (а), полукогерентной (б) и некогерентной (в) границ (штриховыми линиями показана межфазная граница) Эффект объясняется возможностью при определенных условиях прекращения роста кристаллов до нарушения когерентности, когда быстро увеличивающаяся при образовании мартенситных кристаллов упругая энергия Эффект Курдюмова—Хандроса лежит в основе эффекта запоминания формы, который заключается в том, что образцу, имеющему характерную форму при повышенной температуре, придают с помощью деформации при более низкой температуре (ниже или в районе Этот эффект типичен для сплавов, обладающих термоупругим мартенситным превращением, малой величиной температурного интервала Мп—Лн. полностью двойникованными кристаллами мартенсита и наличием атомного упорядочения в исходной высокотемпературной фазе. В этих условиях при деформации образуются когерентные с матрицей двойниковые мартенситные кристаллы с преимущественной кристаллографической ориентировкой, а при обратном превращении (при отогреве) мартенситные кристаллы, образовавшиеся при деформации, исчезают и обратимое движение когерентных межфазных границ при обратном превращении приводит к восстановлению первоначальной формы. В первом приближении можно считать, что атомные перемещения в сплавах, обладающих эффектом запоминания формы протекают при обратном превращении по тем же путям, что и при прямом, но в противоположном (обратном) направлении. Эффект наиболее четко выражен в сплавах Нерешенным вопросом в теории мартенситного превращения остается вопрос: как происходит зарождение кристаллов мартенсита и что представляют собой зародыши? Теория напряжений объясняет образование мартенсита следующим образом: сдвиг, двор! ни кование выводит из равновесного положения атомы, которые затем становятся в систему уже более устойчивую при данной температуре Считают, что мартенситные кристаллы зарождаются гетерогенно, т. е. на дефектах кристаллической решетки аустенита. Атермическое мартенситное превращение возникает как результат усиления амплитуд определенных колебаний кристаллической решетки аустенита, которые стремятся перестроить кристаллическую решетку аустенита в решетку мартенсита. При определенных условиях (в частности, достижения необходимой движущей силы превращения) кристаллическая решетка аустенита становится полностью неустойчива к самым незначительным сдвигам и без преодоления энергетического барьера превращается в решетку мартенсита. Поля упругих деформаций вблизи дефектов решетки аустенита приводят к уменьшению устойчивости решетки аустенита и дефекты могут рассматриваться как места, подготовленные для зарождения кристаллов мартенсита, так как вблизи них энергетический барьер исчезает в первую очередь. Зарождение при изотермическом мартенситном превращении также происходит на дефектах решетки — прежде всего на дислокациях. Однако в отличие от атермического мартенситного превращения, оно протекает путем преодоления определенного энергетического барьера. В общих чертах процесс изотермического мартенситного превращения аналогичен термически активируемому процессу движения дислокаций. Отсюда становится понятным сходство в структуре изотермического мартенсита и мартенсита деформации и даже с линиями Чернова—Людерса. В ряде случаев большую роль в зарождении мартенсита могут играть дефекты упаковки. Например, при образовании гексагонального е-мартенсита дефекты упаковки являются зародышами мартенсита и процесс образования мартенсита сводится к увеличению их плотности и последующему слиянию.
|
1 |
Оглавление
|