Сущность и механизм мартенситного превращения

Мартенситное превращение протекает по бездиффузионному механизму, при котором происходит лишь перестройка кристаллической решетки g- Fe в a- Fe, атомы в этом случае перемещаются на расстояния не превышающие межатомные, и их перемещение носит закономерный кооперативный (групповой) характер: атомы, бывшие соседями в ГЦК решетке, остаются соседями и в ОЦК решетке. В этом и заключается отличие мартенситного превращения от нормального полиморфного превращения, когда атомы могут перемещаться автономно на большие расстояния.

Поскольку в случае мартенситного превращения диффузионная подвижность атомов отсутствует, то весь углерод, содержавшийся в аустените, переходит в решетку a- Fe – образуется пересыщенный твердый раствор внедрения – мартенсит.

 

Продукты мартенситного превращения и его особенности

Мартенсит имеет тетрагональную решетку, в которой один период с больше другого – а, при этом тетрагональность решетки (отношение параметров с / а) линейно увеличивается с ростом содержания в стали угле рода.

Характерной особенностью мартенсита является его высокая твердость, зависящая от содержания углерода в стали (например, в стали с 0,2%С твердость мартенсита составляет порядка 37НRC, в стали с 0,7% С - 63HRC). Однако с повышением содержания углерода в мартенсите возникает склонность его к хрупкому разрушению.

Высокая твердость мартенсита объясняется искаженностью кристаллической решетки и большими внутренними напряжениями.

Типичная форма кристаллов среднеуглеродистого мартенсита – пластина с малым отношением толщины к другим линейным размерам. В плоскость шлифа попадают сечения пластин и соответственно структура мартенсита приобретает игольчатый вид (рис.8). Размер иглы мартенсита определяется величиной зерна аустенита, которая, в свою очередь, зависит от температуры нагрева. При мелком аустенитном зерне пластины мартенсита настолько мелки, что игольчатое строение на шлифе не видно, и мартенсит называют бесструктурным или скрытокристаллическим.

Рисунок 13 – Игольчатый характер мартенсита (х500)

Кинетика мартенситного превращения

Мартенситное превращение протекает в определенном интервале температур от М_н до М_к. Положение этих точек не зависит от скорости охлаждения и обусловлено химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже температура точек М_н и М_к (рис.14, а). Все легирующие элементы, за исключением кобальта и алюминия, понижают точки М_н и М_к (рис.14, б).

А                                                     б

Рисунок 14 – Влияние содержания углерода (а) и легирующих элементов (б) на положение точек М_н и М_к

 

Мартенситное превращение развивается только в условиях непрерывного охлаждения. Если охлаждение прекратить (остановить в интервале температур М_н - М_к), то мартенситное превращение останавливается. В этом его важнейшее отличие от перлитного превращения, которое может развиваться как при непрерывном охлаждении, так и в изотермических условиях.

Количество мартенсита, образующегося в интервале М_н-М_к, пропорционально степени переохлаждения относительно температуры М_н, то есть чем ниже температура, тем больше образуется мартенсита. При этом его количество возрастает в результате образования все новых и новых кристаллов, а не вследствие роста уже возникших. По достижении точки М_к превращение аустенита в мартенсит прекращается.

Превращение аустенита в мартенсит не протекает до конца даже при охлаждении до температуры соответствующей М_к – в структуре стали всегда остается некоторое количество аустенита остаточного (А_ост).

Остаточный аустенит – это аустенит, сохраняющийся в структуре при охлаждении до температуры ниже М_к. На практике остаточным считается аустенит, присутствующий в стали после закалки. При образовании игл мартенсита образуются изолированные объемы аустенита, отсеченные иглами со всех сторон (рис.15) и испытывающие всестороннее сжатие, так как образование мартенсита происходит с увеличением удельного объема.

Для того чтобы аустенит, расположенный в этих участках, превратился в мартенсит, также требуется увеличение объема и соответственно преодоление упругих напряжений сжатия.

При некотором их уровне они не могут быть преодолены, то есть превращение А®М в этих участках становится невозможным.

Факторы, влияющие на количество остаточного аустенита.

1. Содержание углерода и легирующих элементов:

- в доэвтектоидных углеродистых сталях количество А_ост составляет 2-3% (под микроскопом не различимо);

- в заэвтектоидных с содержанием углерода 0,8-1,2% количество А_ост=10%;

- в заэвтектоидных с содержанием углерода 1,3-1,5% количество А_ост=20%;

- в легированных сталях - может доходить до 50% (например, в стали Р18 количество А_ост=30-50%).

При больших количествах А_ост (>20%) становится различим под микроскопом и представляет собой светлые участки, отсеченные иглами (рис.16).

2. Скорость охлаждения – при медленном охлаждении количество А_ост незначительно возрастает.

3. Гомогенность аустенита – повышение однородности аустенита приводит к увеличению в окончательной структуре количества А_ост.

4. Величина зерна аустенита – с увеличением размера зерна количество А_ост возрастает.