Загальне уявлення про механізм мартенситного перетворення в сплавах

В більшості вуглецевих і легованих сталей і сплавів на основі заліза утворюється α-мартенсит (α_м) з об’ємноцентрованою кубічною (ОЦК) граткою, гратками тетрагону (ОЦТ) і ромбічною (ОЦР). Залежно від складу і термообробки в сталях утворюються чотири мартенситних фази - ε', ε, χ', α_м (рисунок 1.1).

 

Рисунок 1.1 - Кристалічні гратки мартенситних фаз в сталі

В результаті рентгенівських досліджень встановлено, що при зміні температури або при пластичній деформації фазові перетворення можуть протікати в такій послідовності:

 

γŠε'ŠεŠχ'Žα_м

 

α-мартенсит можна розглядати як кінцевий продукт мартенситного перетворення в сплавах. Проте, в деяких сталях мартенситне перетворення не йде до кінця і може зупинитися на будь-якій з проміжних стадій:

γŠε',

γŠε'Šε,

γŠε'ŠεŠχ'.

Мартенситне перетворення в сталях є складним процесом, в результаті якого утворюється ряд мартенситних фаз, відмінних між собою властивостями і кристалічною граткою. [14].

α - мартенсит. Питання про природу α-мартенситу було вирішено В. Фінком, Е. Кемпбелом, Г.В. Курдюмовим, Н. Селяковим і Н. Гудцовим. Ці дослідження однозначно показали, що мартенсит є однофазним твердим розчином вуглецю в α - залізі.

Кристалічна гратка α-мартенситу - ОЦТ (а = b ≠ c), для якої відношення параметрів с/а залежить від вмісту вуглецю в сталі.

Основні морфологічні особливості і структура кристалів мартенситу представлені на рисунку 1.2. Масивний мартенсит утворюється усередині масивних зразків у вигляді рейкових і пластинчатих кристалів. Рейковий мартенсит (голчатий) спостерігається в маловуглецевих сталях і в більшості легованих сплавів на основі заліза.

 

Рисунок 1.2 - Утворення структур мартенситу

 

Кристали цього мартенситу мають вид рейок або голок. Іноді ці рейки з'єднані в групи (плити). В одному зерні аустеніту може бути декілька таких плит.

Пластинчатий мартенсит утворюється в середньо- і високовуглецевих сталях, у високонікелевих сплавах, а також, в сталях з високим вмістом азоту. Він відрізняється від рейкового мартенситу формою кристалів і їх розподілом в аустеніті. Окремі кристали мартенситу є пластинами, товщина яких на порядок менше їх довжини і ширини. Пластинчаті кристали мартенситу з'являються у вигляді зигзагів або ферм (рисунок 1.3, а).

 

а                                                  б

Рисунок 1.3 - Мікроструктура кристалів α-мартенситу; ×100

Мартенситні пластини, які утворюються першими, розтинають все зерно, обмежуючи тим самим розмір подальших кристалів мартенситу. Вони з'являються в ділянках аустеніту, що залишилися, тому їх розмір тим менший, чим пізніше вони виникають (рисунок 1.3, б).

При γŠα_м перетворенні, мартенситні кристали утворюються при достатньо низьких температурах в пружному середовищі. В результаті зміни форми і об'єму зразка виникають великі внутрішні напруги, які приводять до появи дефектів в γ- і в α_м-фазах. Іноді може відбутися пластична деформація кристалів мартенситу і навколишнього аустеніту, а також, поява мікротріщин. Мартенсит успадковує ті дефекти, які були в початковому аустеніті. Дефекти упаковки в α-мартенситі були знайдені тільки в алюмінієвих сталях.

χ'-мартенсит. χ'-мартенсит утворюється при різкому охолодженні до від’ємних температур зразків, що мають при кімнатній температурі аустенітну структуру. Важливою характеристикою χ'-мартенситу є те, що він існує тільки при низьких температурах, а при нагріві до кімнатної температури перетворюється в α-мартенсит.

В сталях, що містять 0,4-1,2% і 1,4-1,8% С, утворюється χ'-фаза з ромбічною граткою (ОЦР), а в зразках із 1,2-1,4% С виникає гратка тетрагону (ОЦТ). Вивчався вплив концентрації вуглецю в сталі на механізм і температурну область χ'Šαм-переходу. Було встановлено, що при підвищенні концентрації вуглецю знизилася область температур початку χ'Šα_м-переходу.

χ'-мартенсит можна розглядати як проміжний, недобудований α-мартенсит. Атоми металу цих фаз утворюють гратки з однаковою симетрією і відрізняються між собою тільки параметрами.

Між χ'- і α-мартенситом є якісна відмінність, яка полягає в тому, що в першому з них атоми вуглецю займають пори ОП і ТП, а в гратці α-мартенситу тільки ОП.

ε-мартенсит. ε-мартенсит має ГПУ гратку. Під час нагріву ε-мартенсит перетворюється на аустеніт. Температурна область цього переходу залежить від концентрації легуючих елементів, попередньої термообробки і знаходиться в області 180-400ºС. При цій температурі дифузія атомів заліза і марганцю відбувається поволі, тому можна припускати, що εŠγ-перетворення здійснюється бездифузійно за мартенситним механізмом. Вплив легуючих елементів на зсув мартенситних точок прямого і зворотнього перетворення можна пояснити тим, що зі зміною хімічного складу сплаву відбувається зміна вільної енергії γ- і ε-фаз.

В результаті γŠε - перетворення на поверхні зразка утворюється рельєф у вигляді паралельних ліній, що нагадують лінії ковзання, які з'являються при пластичній деформації (рисунок 1.4). В одному і тому ж зерні ці лінії групуються окремими пакетами, розташованими в одному або декількох напрямах. Ці лінії є місцями зсуву, які з'явилися в результаті утворення кристалів ε-мартенситу. Тобто, кристал ε-мартенситу має вид пакету тонких пластин.

 

Рисунок 1.4 - Мікроструктура ε-мартенситу; ×100

 

ε-мартенсит найповніше вивчений в марганцевих сталях і сплавах, оскільки в них іноді утворюється до 80% ε-фази. Зі збільшенням концентрації марганцю кількість ε-фази зменшується. Легування хромом, нікелем, вольфрамом та молібденом приводить, також, до зменшення ε-фази. Виключенням є кремній, який приводить до збільшення вмісту ε-фази.

Кількість ε-мартенситу в нержавіючих сталях не перевищує 15%. Також, в нержавіючих сталях не вдається отримати ε-мартенсит без α_м-фази. Завжди наряду з γŠε спостерігається γŠεŠα_м-перетворення.

ε'-мартенсит. Кристалічна гратка ε'-мартенситу має порядок чергування щільноупакованих шарів I типу. Його елементарний осередок в ромбоедричній системі координат зображений на рисунку 1.1. Один елементарний осередок має 18 атомів. Для дослідження мікроструктури використовували метод хімічного травлення шліфів. В сталі 60Г12 після гартування від 1100ºС у воді при травленні у кислоті добре виявляються границі окремих зерен - однорідні світлі ділянки аустеніту. Після охолодження в рідкому азоті ε'-мартенсит виявляється на мікроструктурі (рисунок 1.5, а) у вигляді темних паралельних пластин на фоні більш світлих смуг аустеніту. При збільшенні в 1500 разів усередині них видно більш тонкі смуги (рисунок 1.5, б).

 

а                                                  б

а -×100; б -×1500

Рисунок 1.5 - Мікроструктура ε'-мартенситу в сталі 60Г12

 

В одному зерні зустрічаються кристали ε'-мартенситу одного або декількох напрямів. Рельєф зразка - на гладкій поверхні з'являються паралельні лінії. Вони виникають в результаті зсувів, що відбуваються при утворенні ε'-фази.