Превращение аустенита в мартенсит при высоких скоростях охлаждения

Данное превращение имеет место при высоких скоростях охлаждения, когда диффузионные процессы подавляются. Сопровождается полиморфным превращением Fe_γ в Fe_α. При охлаждении стали со скоростью, больше критической (V>V_к), превращение начинается при температуре начала мартенситного превращения (М_н) и заканчивается при температуре окончания мартенситного превращения (M_к). В результате такого превращения аустенита образуется продукт закалки — мартенсит.

Минимальная скорость охлаждения V_к, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры т. М_н и превращается, называется критической скоростью закалки.

Так как процесс диффузии не происходит, то весь углерод аустенита остается в решетке Fe_α и располагается либо в центрах тетраэдров, либо в середине длинных ребер (рис. 12.1).

Мартенсит — пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe.

При образовании мартенсита кубическая решетка Fe_α сильно искажается, превращаясь в тетрагональную (рис. 12.1а). Искажение решетки характеризуется степенью тетрагоналъности: с/а>1. Степень тетрагональности прямо пропорциональна содержанию углерода в стали (рис. 12.1 б).

Механизм мартенситного превращения имеет ряд особенностей.

1. Бездиффузионный характер.

Превращение осуществляется по сдвиговому механизму. В начале превращения имеется непрерывный переход от решетки аустенита к решетке мартенсита (когерентная связь). При превращении гранецентрированной кубической решетки в объемно-центрированную кубическую атомы смещаются на расстояния меньше межатомных, т.е. нет необходимости в самодиффузии атомов железа.

Рис. 12.1. Кристаллическая решетка мартенсита (а); влияние содержания углерода на параметры (а) и с решетки мартенсита (б)

2. Ориентированность кристаллов мартенсита.

Кристаллы имеют форму пластин, сужающихся к концу, под микроскопом такая структура выглядит как игольчатая. Образуясь мгновенно пластины растут либо до границы зерна аустенита, либо до дефекта. Следующие пластины расположены к первым под углами 60° или 120°, их размеры ограничены участками между первыми пластинами (рис. 12.2).

Ориентированный (когерентный) рост кристаллов мартенсита обеспечивает минимальную поверхностную энергию. При когерентном росте, из-за различия объемов аустенита и мартенсита, возникают большие напряжения. При достижении определенной величины кристаллов мартенсита эти напряжения становятся равными пределу текучести аустенита. В результате этого нарушается когерентность и происходит отрыв решетки мартенсита от решетки аустенита. Рост кристаллов прекращается.

Рис. 12.2. Ориентированность кристаллов мартенсита

3. Очень высокая скорость роста кристалла, до 1000 м/с.

4. Мартенситное превращение происходит только при непрерывном охлаждении. Для каждой стали начинается и заканчивается при определенной температуре, независимо от скорости охлаждения. Температуру начала мартенситного превращения называют мартенситной точкой М_н, а температуру окончания превращения — М_к. Температуры М_н и М_к зависят от содержания углерода и не зависят от скорости охлаждения. Для сталей с содержанием углерода выше 0,6% М_к уходит в область отрицательных температур (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Зависимость температур начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения от содержания углерода в стали

Мартенситное превращение чувствительно к напряжениям, и деформация аустенита может вызвать превращение даже при температурах выше М_н. 

В сталях с М_к ниже 20°С присутствует аустенит остаточный, его количество тем больше, чем ниже М_н и М_к (при содержании углерода 0,6...1,0% количество аустенита остаточного — 10%, при содержании углерода 1,5% — до 50%). В микроструктуре наблюдается в виде светлых полей между иглами мартенсита.

5. Превращение необратимое. Получить аустенит из мартенсита невозможно.

Свойства мартенсита обусловлены особенностями его образования. Он характеризуется высокой твердостью и низкой пластичностью, что обуславливает хрупкость.

Твердость составляет до 65 НRC. Высокая твердость вызвана влиянием внедренных атомов углерода в решетку α-фазы, что вызывает ее искажение и возникновение напряжений. С повышением содержания углерода в стали возрастает склонность к хрупкому разрушению.