4. Мартенситное превращение

Если скорость охлаждения стали от высоких температур (выше становится достаточно большой рис. 192) для подавления распада аустенита на феррито-цементитную смесь, то аустенит испытывает мартенситное превращение или с образованием новой фазы в стали — мартенсита.

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 превращения носит сдвиговый характер, поэтому напряжения, возникающие при охлаждении и превращении, являются определяющими для кинетики мартенситного превращения. В процессе превращения атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные; при этом соседи любого атома в аустените остаются его соседями в мартенсите.

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 а тетрагональная (о. ц. т.) при этом тетрагональность решетки (отношение параметров линейно увеличивается с ростом содержания в стали углерода (рис. 198), а в ряде высоколегированных сталей зависит и от содержания легирующих элементов.

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 или Нишиямы

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 а скорость его роста более 105 см/с, т. е. близка к скорости звука в твердом теле и не зависит от температуры превращения.

8. А М превращение протекает в определенном температурном интервале: начинается при температуре Мн и заканчивается при более низкой температуре (эти температуры называются мартен-ситными точками), что может быть описано мартенситной кривой (рис. 199). При данной температуре с громадной скоростью образуется только определенное количество мартенсита и для возобновления превращения сталь надо охлаждать в интервале

9. Температура в широком диапазоне скоростей охлаждения не зависит от ее величины, а превращение невозможно подавить даже при самых больших скоростях охлаждения.

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 снижает углерод (рис. 200).

11. А - М превращение не идет до конца: в стали всегда существует так называемый остаточный аустенит на рис. 199), количество которого увеличивается при понижении точки например за счет легирования углеродом (рис. 201).

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

массовое содержание углерода) при этом параметр с растет, параметр а уменьшается (см. рис. 198). Тетрагональность решетки мартенсита объясняется искажением решетки за счет внедрения атомов углерода в ее междоузлия (рис. 202).

В железных сплавах, не содержащих углерод (например мартенсит имеет о. . решетку. В сплавах а также в сталях возможно образование мартенсита с гексагональной решеткой (е-мартенсита). В этих же сталях был обнаружен (Б. И. Николин) -мартенсит со сложной решеткой с параметрами . Такие структуры были названы длиннопериодными многослойными. В цветных сплавах (на основе и др.)

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 заняты атомами углерода. В реальном случае, даже при максимальном содержании углерода в мартенсите один атом углерода приходится на четыре элементарные ячейки мартенсита возможно протекание мартенситных превращений с различными типами кристаллоструктурных перестроек, при этом мартенситные фазы могут иметь структуру гексагональную, ромбическую и др. В отличие от железных в цветных сплавов фаза, из которой образуется мартенсит, называется не аустенитном, а исходной, матричной или высокотемпературной, термин же мартенсит сохраняется для всех типов сплавов.

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 (ниже 200 °С). Характерное расположение кристаллов пластинчатого мартенсита, обнаруживаемое в световом микроскопе — выстраивание в виде «ферм» или «зигзагов» (рис. 204, б, в). Мартенситные пластины, образовавшиеся в первую очередь, могут «пройти» через все зерно аустенита, а образовавшиеся при более низкой температуре располагаются между ними. Иногда в сечении пластины можно различить среднюю линию повышенной травимости — так называемый мидриб (рис. 204, а). Мидриб представляет собой скопление параллельных двойников по плоскостям Толщина двойников колеблется в зависимости от состава и условий образования мартенсита в пределах 5—30 нм. Кристаллы мартенсита с мидрибом называются частично двойникованными.

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. Полностью двойникованные мартенситные кристаллы обычно уже частично двойникованных и выглядят металлографически как тонкие длинные пластины с параллельными гранями (рис. 204, г). В углеродистых сталях частично двойникованные пластины мартенсита обычно выглядят как крупноигольчатая структурная составляющая (рис. 203,а).

В мало- и среднеуглеродистых сталях, в высоколегированных сплавах железа мартенсит образуется в виде кристаллов-реек, вытянутых вдоль направления (111). Толщина реек мкм, а типичные отношения размеров рейки 1 : 7 : 30, т. е. длина превышает ширину в 4—5 раз. Мартенситные кристаллы-рейки обычно параллельны друг другу и образуют пакеты — скопления параллельных реек (рис. 205, б). Рейки в пакетах разделены тонкими (10—20 нм) прослойками остаточного аустенита, а иногда находятся в двойниковом относительно друг друга соответствии. Мартенситные рейки, образовавшиеся при высокой температуре, имеют дислокационное строение; плотность дислокаций При более низких температурах Мн рейки могут содержать короткие ряды двойников. В малоуглеродистых сталях с высокой температурой Мн и малой долей остаточного аустенита реечный мартенсит в световом микроскопе выглядит как мелкоигольчатая структура (см. рис. 203, б). В железных сплавах (например ) с большей долей остаточного аустенита реечный мартенсит наблюдается в виде групп кристаллов, образующих неправильные, тупоугольные соединения, или выстроенных в ряды (рис. 205, а).

Образование различных структурных типов мартенсита определяется прежде всего температурой его формирования, зависящей от состава сплава и ряда других факторов. Необходимо учитывать, что, если интервал широк, то в структуре присутствуют различные типы кристаллов мартенсита, образовавшиеся при

(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 , чтобы получить решетку мартенсита, сжать выделенную ячейку вдоль оси примерно на 20 % и растянуть вдоль осей [010] и [100] на 12%. Такая однородная деформация решетки называется бейновской. Точные значения деформаций зависят от содержания в стали углерода, т. е. от величины тетрагональности решетки мартенсита (в углеродистых сталях максимальная величина

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 и образуется только при быстром охлаждении (когда диффузионный распад аустенита подавлен) до температур , т. е. когда мартенсит имеет меньшую свободную энергию, чем аустенит. Мартенситное превращение начинается не при температуре когда равны свободные энергии аустенита и мартенсита, а при более низкой температуре Мн, т. е. для образования мартенсита необходимо переохлаждение

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 ; в - о. ц. т. решетка мартенсита с (атомы углерода занимают только октаэдрические междоузлия по оси

Это переохлаждение нужно для запаса химической свободной энергии Это переохлаждение нужно и для запаса свободной энергии и для накопления внутренних напряжений. Поэтому начало мартенситных превращений наблюдается примерно на 200 °С ниже температуры равновесия аустенит — мартенсит (рис. 209, а). В интервале от до превращение можно вызвать пластической деформацией, поэтому точки и совпадают. Выше точки пластическая деформация протекает обычным способом (сдвигом или двойникованием), не вызывая образования мартенсита, что энергетически невыгодно системе.

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), т. е. превращение начинается после определенного перегрева при температуре и заканчивается при температуре Как и при прямом превращении, температурный гистерезис при обратном превращении обусловлен наличием упругой и поверхностной энергии, препятствующей образованию новой фазы (в данном случае аустенита). Обратное превращение протекает по такому же сдвиговому механизму, как и прямое, и имеет характерные его черты: бездиффузионность, образование рельефа и т. д.

Рис. 209. Температуры пряного и обратного превращений: а — схема; б — температуры в системе

В сталях обратное превращение не имеет места, так как из-за высокой подвижности атомов углерода в твердом растворе внедрения еще до достижения температуры успевают произойти процессы диффузионного распада мартенсита (отпуск) с образованием равновесных фаз — карбида и феррита. Поэтому обратное превращение наблюдается только в безуглеродистых высоколегированных сплавах, например в системе (см. рис. 209); оно также типично для мартенситных превращений в цветных сплавах.

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 до (см. рис. 199). Скорость превращения (образования мартенсита) не зависит от температуры, превращение нельзя предотвратить быстрым охлаждением. Остановка охлаждения в интервале приводит к прекращению превращения и для его возобновления надо

продолжить охлаждение. Атермическое мартенситное превращение (точнее атермическая кинетика превращения) характерно для большинства сталей и сплавов. В некоторых из них в точке Мн (как правило значительно ниже комнатной температуры) может сразу образоваться большое количество мартенсита (до 50 % и более). Такое превращение называется взрывным. Атермическое мартенситное превращение, в особенности взрывное, сопровождается хорошо различимым звуковым эффектом — щелчками, вызванными освобождением упругой энергии при образовании мартенситных кристаллов. Как отмечалось выше, на положение мартенситных точек наибольшее влияние оказывает углерод (азот как элемент внедрения по своему влиянию аналогичен углероду. О влиянии легирующих элементов на мартенситное превращение будет сказано ниже (см. стр. 316). Как отмечалось выше, скорость охлаждения не влияет на положение мартенситной точки и тем не менее скорость охлаждения определенным образом влияет на кинетику мартенситного превращения. Изменяя скорость прохождения мартенситного интервала, можно влиять на конечные результаты мартенситной реакции (соотношение реечного и пластинчатого мартенсита, количество остаточного аустенита). В верхнем интервале температур мартенситного превращения, когда образуется реечный мартенсит, увеличение скорости охлаждения подавляет превращение. И, наоборот, в районе образования двойникового мартенсита быстрое охлаждение наводит напряжение и интенсифицирует превращение.

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 (например в низкоуглеродистых или конструкционных сталях) в его структуре двойникование выражено гораздо слабее и его можно отнести к реечному мартенситу.

В ряде сплавов была обнаружена принципиально иная, отличная от атермической, кинетика мартенситного превращения: превращение идет при постоянной температуре, начинается после инкубационного периода, его скорость зависит от температуры, само превращение подобно перлитному и его можно описать С-образной кривой, быстрым охлаждением превращение можно предотвратить (подавить), а последующим отогревом вызвать (инициировать). Такое мартенситное превращение называется изотермическим (точнее — мартенситное превращение с изотермической кинетикой) (рис. 212).

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 где два превращения, протекающие по различной кинетике, разделены

температурным интервалом устойчивости аустенита и наблюдаются как бы две мартенситные точки (рис. 214). В интервале превращение может протекать в изотермических условиях (максимальная скорость превращения), а при кинетика превращения чисто атермическая (в данном случае взрывная). Соответственно различаются продукты изотермического и атермического мартенситных превращений.

Рис. 212. (см. скан) Изотермическое превращение аустенита в мартенсит (сплав при разных температурах (а) и диаграмма изотермического превращения (б) (цифры у кривых — степень превращения)

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 а — световая микроскопия, Х400; б — просвечивающая электронная микроскопия,

Если при этом будет ниже (например, в сплаве то аустенит способен к полному переохлаждению при

резком охлаждении до и к изотермическому превращению при выдержке при более высокой температуре. Для сплава четко фиксируются оба превращения. При этом резкое охлаждение приводит к атермическому превращению, медленное к изотермическому, а при промежуточной скорости охлаждения последовательно протекают оба превращения.

На сплаве удалось проследить, как влияют внешние воздействия на разные по кинетике виды мартенситных превращений. Установлено, что предварительная пластическая деформация аустенита, измельчение зерна и другие воздействия оказывают более сильное влияние (подавляют) на изотермическое мартенситное превращение, как бы сдвигая вправо С-образную кривую.

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 и атермическая кинетики мартенситного превращения в сплаве

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 характерно увеличением удельного объема стали примерно на и эта величина растет с увеличением содержания углерода) и соответственно различающихся параметров решеток фаз, на их границе возникают упругие деформации. При увеличении размера кристаллов новой фазы может наступить момент, когда энергетически становится выгодным компенсировать разный параметр решеток фаз не полями упругих деформаций, а образованием дислокаций, снижающих эту упругую деформацию; в промежутках между дислокациями когерентность не нарушена — образуется полукогерентная граница. Наконец, возможна такая ситуация (как правило, при большом несоответствии параметров решеток фаз и большом размере кристаллов образующейся фазы), когда когерентность полностью нарушается по всей межфазной границе, которая имеет очень сложное дефектное строение.

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 понижение температуры ведет к постепенному росту мартенситных кристаллов, а повышение к их исчезновению.

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 становится больше выигрыша химической свободной энергии при охлаждении: . В этом случае рост кристаллов прекращается. Превращение возобновляется только при дальнейшем охлаждении, когда При последующем отогреве уменьшается и кристалл постепенно уменьшается в размерах за счет сохранения когерентности решеток; далее он может полностью исчезнуть, т. е. произойдет обратное превращение.

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 ) другую форму а после отогрева в область обратного превращения исходная характерная форма восстанавливается.

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 и находит применение в технике.

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 . В этом случае зародышами мартенсита являются дислокации, границы двойников.

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.