 |
Мартенситное превращение.
|
|
|
|
термодинамический стимул и Механизм мартенситного превращения.
В околошовной зоне сварных соединений легированных сталей часто наблюдается структура мартенсит (твердый пересыщенный раствор внедрения C в α -Fe), который является также основной структурой закаленной стали. Характерной особенностью мартенсита является высокая твердость и прочность (63-65 НRС), наибольший удельный объем, склонность к хрупкому разрушению. В основе механизма лежат два процесса: зарождение и рост мартенситных кристаллов. Эти два процесса протекают за очень короткое время (υ март. превращения = 10ˉ 6С - время образования одного кристалла ). 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. Отдельные атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные, сохраняя взаимное соседство, однако величина абсолютного смещения растет пропорционально удалению от межфазной границы. В процессе превращения кристаллы мартенсита сопряжены с аустенитом по определенным кристаллографическим плоскостям, и межфазная граница не образуется. При нарушении когерентности решеток упорядоченный переход атомов из аустенита в мартенсит становится невозможным, и рост кристалла мартенсита прекращается.
Кристаллография мартенситного превращения.
|
|
|
Так как в кристаллической решетки мартенсита имеется избыточное количество атомов углерода по сравнению с тем, которое может раствориться в феррите (~0, 01 % С), то это приводит к искажению формы решетки (рис. 4, а, б). Такая решетка, у которой отношение c/а > 1, называется тетрагональной. А отношение c/а – степенью тетрагональности.
Рис. 4. Кристаллическая решетка мартенсита (а); влияние содержания углерода на параметры с и а решетки мартенсита На рис 4, а приведена схема ячейки кристаллической решетки мартенсита; рис 1, б показывает изменение параметров решетки мартенсита разных по составу сталей, откуда видно, что степень тетрагональности с/а мартенсита прямо пропорциональна содержанию углерода в стали. Кристаллы мартенсита в пространстве представляют собой пластины, сужающиеся к концу, и поэтому на фотографии, снятой с плоскости шлифа, кажутся игольчатыми. Электронно-микроскопические и рентгеновские исследования позволяют мелкоблочное строение отдельных кристаллов мартенсита. Размер блоков порядка 10-6 см. Относительно друг друга кристаллы мартенсита расположены под утлом 60 и 120°. Это дает основание для заключения, что они возникают по определенным кристаллографическим плоскостям кристаллов исходной аустенитной фазы. Размер мартенситных кристаллов зависит от величины кристаллов аустенита: из мелкозернистого аустенита образуется мелкоигольчатый мартенсит, и наоборот.
Классификация мартенсита.
Различают два типа мартенсита - пластинчатый и реечный. В высокоуглеродистых сталях образуется пластинчатый мартенсит: кристаллы состоят в средней своей части из большого числа микро двойников, представляют собой широкие пластины, в плоскости шлифа имеют вид игл (рис. 2. 2, а).
Рис. 2. 2 – Схема микроструктуры пластинчатого (игольчатого) (а) и реечного (массивного) (б) мартенсита. Пластинчатый мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях, характеризующихся низкой температурой мартенситной точки. В конструкционных, углеродистых, легированных сталях кристаллы мартенсита имеют форму тонких реек - реечный мартенсит, вытянутых в одном направлении (рис. 2. 2, б), называемый также массивным мартенситом. Между кристаллами мартенсита сохраняются прослойки остаточного аустенита.
|
|
|
Строение мартенситных кристаллов
В мартенситных сталях при их нагреве перераспределяются атомы углерода. Это явление носит диффузионный характер. В результате такого распределения в структуре стали формируются две фазы, каждая из которых отличается содержанием углерода и формой своей кристаллической решетки.
Кинетика мартенситного превращения
Кинетика мартенситного превращения. Мартенситное превращение в общем случае не удается подавить быстрым охлаждением. Превращение начинается сразу при температуреМн и протекает не в изотермических условиях, а в интервале температур. При переохлаждении до температуры, соответствующей точке Мк, аустенит начинает превращаться в мартенсит. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже температуры Мн. Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение практически также остановится. Количество образовавшегося мартенсита в зависимости от температуры, до которой охлажден образец, может быть выражено мартенситной кривой (рис. 2. 1). Чем ниже температура, тем больше образуется мартенсита.
Рис. 2. 1 – Мартенситная кривая для низкоуглеродистой (а) и высокоуглеродистой (б) стали (Аост – остаточный аустенит) При достижении определенной температуры превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эта температура окончания мартенситного превращения обозначается Mк Положение точекМн и Мк не зависит от скорости охлаждения и обусловлено химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже температура точекМн иМк. Мартенситное превращение не протекает до конца, поэтому в закаленных сталях, имеющих точку Мк ниже 20°С, а именно в углеродистых сталях, содержащих свыше 0, 4-0, 5% С, присутствует остаточный аустенит. Его количество тем больше, чем ниже температура точекМн и Мк, т. е. чем выше содержание в аустените углерода и легирующих элементов (за исключением Со и Аl). По кинетике мартенситные превращения делятся на 3 типа: 1. Атермическое (массивное) характеризуется тем, что развивается плавно, непрерывно, монотонно. 2. Изотермическое (при постоянной температуре) протекает при изотермических условиях внутри температурного интервала Мн - Мк. 3. Взрывное превращение – характеризуется мгновенным образованием большой порции мартенсита.
|
|
|
Термическая стабилизация аустенита Под стабилизацией исходной фазы понимают затруднение ее превращения в мартенсит в результате теплового (термическая стабилизация), механического (механическая стабилизация) или любого другого воздействия. Термическая стабилизация аустенита, которую обычно называют просто стабилизацией, наблюдается при временной остановке охлаждения железного сплава в мартенситном интервале атермического превращения. Если прервать охлаждение при температуре Тп < Мн (но выше Мк) и сделать здесь выдержку, то аустенит стабилизируется. Стабилизация проявляется в том, что по возобновлении охлаждения превращение начинается не сразу при температуре Тп, а после переохлаждения аустенита (гистерезиса) до некоторой температуры Мн
Влияние деформации на мартенситное превращение
На мартенситное превращение оказывают влияние внешние нагрузки. При деформации исходной фазы аустенита мартенситное превращение может начаться выше точки Мн. Мартенcитное превращение в данном случае идет на 60%.
Верхней границей является температура МД, которая лежит ниже температуры метастабильного превращения М0. Выше точки М0 никакая пластическая деформация не вызовет мартенситного превращения. Мартенситное превращение может протекать выше точки Мн как под действием упругих напряжений, так и пластических. Под действием упругих напряжений активизируются те же самые центры зарождения мартенсита, что пи действовали и при Т< Мн. Т. е. упругая деформация просто активизирует мартенситное превращение, позволяя ему начаться при более высоких температурах. Мартенсит, получающийся в этом случае, называется мартенсит напряжения.
|
|
|
Влияние состава сплава на положение точки Мн
Положение точек Мн и Mк не зависит от скорости охлаждения, но зависит от содержания углерода в стали (рис. 10). Если содержание углерода в стали превышает 0, 6%, то Мк лежит в области отрицательных температур. В этом случае, чтобы получить максимальное количество мартенсита, необходимо после закалки в воде до комнатной температуры сделать еще и обработку холодом.
Изменение свойств сплавов при закалке на мартенсит
Важнейшее явление, сопровождающее закалку на мартенсит, упрочнение, повышение твердости
Особенности мартенситного превращения в углеродистых сталях при сравнении его с перлитным превращением.
Мартенсит имеет совершенно отличную от других структур природу и образуется не так, как ферритоцементитные смеси. Характерной особенностью аустенитомартенситного превращения является его бездиффузионный характер. 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. В отличие от перлитного, мартенситное превращение в углеродистой стали не имеет инкубационного периода. Длина горизонтальной линии Мн (см. рис. 2. 6) никакого физического смысла (как отрезок времени, в течение которого идёт мартенситное превращение) не имеет. Горизонталь Мн соответствует температуре, ниже которой чрезвычайно быстро, практически «мгновенно», образуется некоторое количество мартенсита.
|
|
|
