Обобщенная диаграмма превращения переохлажденного аустенита в углеродистой стали

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 16 Структура верхнего (а) и нижнего (б) бейнита:

I – x500, II – x7000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Мартенситное превращение 

 

Если аустенит переохладить до таких температур, когда ɣ-решетка, несмотря на наличие  растворенного в ней углерода, неустойчива, но скорость диффузии углерода вследствие низких температур так мала, что с ней можно не считаться, то происходит перестройка решетки без выделения углерода:

Fe_ɣ(C)->Fe_α(С).

Это превращение  по своему механизму и по природе продуктов превращения отлично от эвтектоидного распада аустенита.

В аустенито-перлитном превращении ведущую роль играет диффузия углерода, и превращение следует назвать диффузионным.

При аустенито-мартенситном превращении происходит только перестройка решетки без изменения концентрации реагирующих фаз. Превращение является бездиффузионным. Мартенсит в стали есть пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с такой же концентрацией, как и у исходного аустенита. Так как растворимость углерода в α-фазе равна всего лишь 0,01%, то мартенсит является пересыщенным твердым раствором.

Поскольку превращение  является бездиффузионным, то углерод из раствора не выделяется и в процессе превращения происходит только перестройка атомов железа. Расположенные в аустените в виде гранецентрированного куба, они перестраиваются во время превращения в о. ц. к. решетку.

Для кристаллической  структуры мартенсита характерна тетрагональная, т. е. то, что соотношение осей с/а  в решетки мартенсита больше 1. Тетрагональность мартенсита – прямое следствие содержания в растворе углерода.

Как показывает график, приведенный на рис. 17, тетрагональность решетки мартенсита прямо пропорциональна содержанию углерода.

                                                           

Рис.17. Параметры мартенсита и аустекита и степень тетрагональности решетки мартенсита в зависимости от содержания углерода (по данным разных исследователей)

 

Для мартенсита характерна особая микроструктура. Кристаллы мартенсита представляют собой пластины, расположенные  параллельно или пересекающиеся под определенными углами (60 и 120 град) (рис. 18).

                                                                      

 

                         Рис. 18. Мартенситные иглы в очень крупнозернистом аустените. x500

 

Оказывается, что ориентировка пластин мартенсита обусловлена тем, что он может образовываться лишь по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям в аустените. Подобное ориентированное превращение можно рассматривать как сдвиг или смещение какого-то объема металла по определенной плоскости с одновременным ɣ->α-превращением. Превращение сопровождается значительным смещением атомов металла в пространстве, но без обмена мест и без значительного изменения расстояний между атомами. Подобное ориентированное смещение атомов при превращении приводит к образованию на поверхности рельефа (рис. 19).

                                                                 

Рис. 19. Структура мартенсита (а) и микрорельеф на поверхности полированного шлифа в той же стали (б), возникающий в результате образования мартетеита. х400

 

Таким образом, две характерные особенности  отличают мартенситное превращение  от других фазовых превращений:

1. бездиффузионность [состав фаз — исходной (аустенита) и конечной (мартенсита), одинаков; при превращении происходит лишь перестройка решетки];
2. ориентированность (новая фаза — мартенсит закономерно ориентирована относительно старой — аустенита); сдвиговый характер превращения приводит к образованию на поверхности рельефа. Превращение, удовлетворяющее обоим этим условиям, относится к классу превращений, именуемому мартенситным.

Мартенситное  превращение обнаружено у многих металлов и сплавов, к описанию которых мы вернемся позже. Сейчас рассмотрим лишь мартенситное превращение в стали.

Мартенситное  превращение в стали, обладая  указанными двумя характерными особенностями, в свою очередь имеет специфические черты, которых нет в мартенситном превращении других сплавов. Мартенситное превращение в сталях необратимо, т. е., протекая в направлении Fe_ɣ(C)-Fe_a(C), оно не происходит в обратном направлении по той же бездиффузионной кинетике. Кроме того, кристалл мартенсита в стали, независимо от температуры, образуется за чрезвычайно короткий отрезок времени (за время порядка десятимиллионной доли секунды, т.е. практически мгновенно).

Превращение состоит в практически мгновенном образовании не одной, а порции мартенситных пластина ( каждая  пластина образуется за отрезок времени около 1 • 10^-7 с, а вся порция пластин, состоящая из нескольких сотен и тысяч кристаллов — за 1 • 10^-3 с), после чего оно останавливается. При дальнейшем охлаждении превращение возобновляется за счет образования новых порций мартенсита и т.д. Если сказанное изобразить графически, то получим кинетическую кривую превращения, называемую мартенситной кривой. Такая кривая схематически показана на рис. 20. По вертикали отложено количество образовавшегося мартенсита (на основании магнитных или других измерений), а по горизонтали — температура.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                       

 

 

 

 

 

 

                                                                                          Рис. 20. Мартенситная кривая

 

Согласно  этой кривой при охлаждении превращение начинается в точке М_н. Эта температура определяет температуру начала превращения аустенита в мартенсит в данной стали.

По мере снижения температуры количество мартенсита возрастает. Окончание превращения  соответствует температуре М_к. При этой температуре остается еще какое-то количество остаточного аустенита А₁ %. Охлаждение ниже точки М_к не вызывает дальнейшего превращения и не уменьшает количества остаточного аустенита.

Состав стали  особенно сильно отражается на температурных точках мартенситного превращения (М_н и М_к). Увеличение содержания углерода приводит к снижению всего интервала мартенситного превращения.

Общая зависимость  влияния того или иного фактора  на температуру мартенситного превращения, так называемые мартенситные диаграммы, а в частности влияния содержания углерода, показана на рис. 21.

 

Рис. 21. Мартенситная диаграмма (температура начала и конца мартенситного превращения в зависимости от содержания углерода). По данным многих исследователей

 

Углерод интенсивно снижает температуру начала и  конца мартенситного превращения. При содержании углерода свыше 0,5% часть  мартенситного превращения распространяется на область отрицательных температур, т. е. при непрерывном охлаждении мартенситное превращение в сталях с С>0,5% не заканчивается по достижении комнатной температуры.

Некоторые легирующие элементы снижают точку мартенсит- ного превращения, и поэтому в  некоторых легированных сталях, содержащих достаточное количество углерода и  легирующих элементов, точка М_н расположена ниже 0° С и закалкой можно получить чистую аустенитную структуру. Из этого следует, что температура образования мартенсита зависит в основном от состава стали (состава аустенита).

При непрерывном охлаждении аустенита при скорости от v_к (для углеродистой стали она примерно составляет 150 град/с) до сверхвысоких скоростей охлаждения (~ 10000 град/с) не удалось снизить температуры начала мартенситного превращения.

Следовательно, температура превращения аустенита в мартенсит не зависит от скоростирости охлаждения.

Однако если скорость охлаждения не влияет на положение мартенситной точки, то она определенным образом влияет на протекание мартенситного превращения. Немного ниже точки М_н более медленное охлаждение вызывает большую степень превращения. Здесь проявляется способность аустенита изотермически образовывать мартенсит при температурах немного ниже точки М_н.

Оказывается, если прервать охлаждение и дать изотермическую выдержку внутри мартенситного интервала (рис. 22), то какое-то время происходит образование, правда небольшого количества, мартенсита.

                                                               

                              Рис. 22. Мартенситная кривая. Охлаждение прервано на некоторое время при температуре t₁

Поэтому различают — атермический мартенсит, мартенсит образовавшийся при охлаждении, и изотермический мартенсит, образующийся при постоянной температуре. Изотермический мартенсит отличается по виду (микростроению) и свойствам (последнее обстоятельство не очень хорошо изучено). Однако в обычных сталях изотермическое образование мартенсита быстро останавливается, дает малое количество мартенсита и в основном в реальных сталях мартенсит атермический. Однако выдержка в районе мартенситного превращения (а также и выше точки М_н на 100—200° С) приводит к стабилизации аустенита, заключающейся в том, что превращение аустенита в мартенсит после окончания выдержки начинается не сразу, а после некоторого переохлаждения (рис. 23) и сохраняется после окончательного охлаждения больше остаточного аустенита, т. е. меньше образуется мартенсита.

                                                

Рис. 23. Мартенситная кривая: а — при непрерывном охлаждении: б — при закалке сделана  выдержка в районе мартенситного превращения (при t₁)

 

Явление стабилизации объясняется релаксацией напряжений, так как они, напряжения, необходимы для реализации мартенситного превращения. Поэтому напряжения, приложенные извне, вызывают мартенситное превращение, а если избежать возникновения напряжений (например, измельчив кусок стали на отдельные монокристальные порошинки), то мартенситное превращение не происходит. [6]

 

1. Остаточный аустенит в структуре мартенсита

 

Ограниченность мартенситного  превращения, ограниченный рост кристаллов мартенсита и быстрое падение скорости образования зародышей при остановке охлаждения приводят к тому, что в закаленной стали может остаться непревращенным некоторое количество остаточного аустенита.

Количество остаточного  аустенита в первую очередь зависит от легирования, определяющего температуру начала мартенситного превращения и ход мартенситной кривой. Поэтому повышение содержания углерода, марганца, хрома и никеля приводит к увеличению количества остаточного аустенита. Это количество при данном составе стали может возрастать также вследствие стабилизации аустенита, т. е. повышения его устойчивости по отношению к превращению в мартенсит. Эффект стабилизации проявляется в понижении точки М_н и уменьшении количества превращенного аустенита при охлаждении до данной температуры.

Стабилизация аустенита  возникает в результате остановки  охлаждения ниже М_н или замедленного охлаждения в мартенситном интервале, низкотемпературного отпуска, выдержки выше М_н, предварительной деформации (в некоторых случаях), фазового наклепа.

При закалке высокоуглеродистой стали сохраняется до 60% и более  аустенита, а многих конструкционных  легированных сталей — до ~ 15% аустенита  в виде тонких (сотни ангстрем) прослоек между «слоями» в мартенситных пакетах. Если в ходе охлаждения происходит только мартен- ситное превращение, состав остаточного аустенита не отличается от состава исходного.

Замедленное охлаждение или выдержка при постоянной температуре  в области промежуточного (бейнитного) превращения также вызывают стабилизацию аустенита. Это влияние замедленного охлаждения в области температур промежуточного превращения в сталях с относительно невысоким содержанием углерода, очевидно, связано с изменениями концентрации углерода в аустените в результате частичного промежуточного превращения.

В углеродистых и низколегированных  сталях, как уже указывалось, превращение  остаточного аустенита наблюдается  при отпуске в интервале 230—280°  С; при очень длительных выдержках  превращение может наблюдаться и при более низких температурах. При значительной скорости нагрева превращения остаточного аустенита в углеродистых сталях могут быть сдвинуты к более высоким температурам (до 400° С). Эффект превращения отмечается по увеличению объема, исчезновению на рентгенограммах интерференций аустенита, изменению магнитных свойств, тепловому эффекту и др.

Легирующие элементы (хром, кремний и др.) во многих случаях  задерживают превращение остаточного аустенита, сдвигают его к более высоким температурам и большей продолжительности выдержки. [1]

 

2. Обратное мартенситное превращение 

 

Образование аустенита  из мартенсита, если последний не претерпевает превращений при нагреве, может  происходить двумя способами. Первый осуществляется обычной диффузионной кинетикой подобно переходу одного твердого раствора в другой. В этом случае состав существующих фаз (т. е. мартенсита и аустенита) в интервале превращений различен. Второй способ перехода — бездиффузионный, когда в интервале превращения состав фаз постоянный. Такое превращение сопровождается образованием обратного рельефа (рис. 24), что характеризует ориентированность превращения. Следовательно, этот переход мартенсит – аустенит имеет черты мартенситного превращения и называется поэтому обратным мартенситным превращением.