5. Мартееситное превращение аустенита

При больших степенях переохлаждения возрастает термодинами­ческая неустойчивость аустенита, а скорость диффузии углерода резко падает. При переохлаждении аустенита в эвтектоидной стали до 240 °С подвижность атомов углерода близка к нулю и происхо­дит бездиффузионное превращение аустенита. При этом меняется лишь тип решетки γ → α, а весь углерод, ранее растворенный в ре­шетке аустенита, остается в решетке феррита, хотя равновесная концентрация углерода в феррите не превышает 0,006 % при комнатной температуре.

Образуется мартенсит Fе_α (С) — пересы­щенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Мартенсит имеет ту же концен­трацию углерода, как и исходный аустенит, Из-за пересыщенности углеродом решетка мартенсита сильно искажена и вместо куби­ческой п риобретает тетрагональную форму, при которой отношение параметров решетки существенно отличается от единицы с/а ≠ 1. Чем больше углерода, тем выше степень тетрагональности мартенсита (рис. 104).

Мартенсит имеет высокую твердость (до HRС 65) и хрупкость. Высокая твердость мартенсита обусловлена искажениями кри­сталлической решетки, связанными с боль­шими внутренними напряжениями, а также возникновением фа­зового наклепа за счет увеличения объема при превращении аус­тенита в мартенсит.

Кристаллы мартенсита, образующиеся в виде пластин в мало­пластичном аустените, имеют на шлифе игольчатую форму (рис. 105). Скорость образования кристаллов мартенсита очень велика, достигает 1000 м/с. Пластины мартенсита растут до гра­ницы аустенитного зерна, либо до имеющегося в стали дефекта. Последующие пластины мартенсита, расположенные под углом к первым (60°, 120°), ограничены их размерами. Размер пластин мартенсита, имеющих в плоскости шлифа вид мартенситных игл, зависит от размера исходных зерен аустенита.

В ысокая скорость образования кристаллов мартенсита при низ­кой температуре протекания превращения объясняется тем, что имеет место непрерывный переход от кристаллической решетки аустенита к решетке мартенсита, так называемая когерентность решеток. Когерентное превращение обуславливает перемещение атомов только на близкие расстояния при переходе атомов из одной решетки в другую. Поэтому кристаллическая решетка новой фазы мартенсита закономерно ориен­тирована относительно исходной фа­зы — аустенита.

Мартенситное превращение идет в интервале температур начала и кон­ца мартенситного превращения М_H и М_K. Для эвтектоидной стали оно начинается при 240 и заканчивается при -50 °С. Однако, при этой темпе­ратуре в стали сохраняется еще неко­торое количество непревращенного, так называемого остаточного аусте­нита. Охлаждение ниже температуры М_K пе приводит к его окончательно­му превращению.

Положение точек М_H и М_K не зависит от скорости охлаждения, но зависит от содержания углерода в стали (рис. 106). Если эвтектоидную сталь охладить только до комнатной температуры, то в структуре, кроме мартенсита, будет присутствовать некоторое количество остаточного аустенита. Наличие остаточного аусте­нита нежелательно, так как это приводит к неоднородности свойств п о сечению и изменению размеров деталей. Последнее обстоятель­ство объясняется тем, что мартенсит имеет наибольший удельный объем по сравнению с другими структурами, а аустенит - наи­меньший. Поэтому при переходе от аустенитной к мартенситной структуре объем и размеры деталей увеличиваются. К особенно­стям, мартенситного превращения относится то, что оно проходит только при непрерывном охлаждении. Задержка охлаждения при температуре выше температуры конца мартенситного превращения приводит к стабилизации аустенита. Аустенит становится более устойчивым. При последующем охлаждении его превращение за­труднено и протекает с меньшей интенсивностью и полнотой. Эф­фект стабилизации аустенита зависит от температуры остановки при охлаждении.

Таким образом, особенностями мартенситного превращения являются его бездиффузионный характер, ориентированность кри­сталлов и прохождение при непрерывном охлаждении в интервале температур М_H - М_K.