Закалка с полиморфным превращением

Закалка с полиморфным превращением – это термическая обработка металла или сплава, при которой главным процессом является мартенситное превращение высокотемпературной фазы. Поэтому такую термообработку обычно называют закалкой на мартенсит. Эта закалка в принципе применима к любым металлам и сплавам, в которых при охлаждении перестраивается кристаллическая решетка.

Особенности мартенситного превращения в углеродистых сталях

Мартенситное превращение было открыто при изучении закалки сталей. Кратко рассмотрим наиболее характерные особенности мартенситного превращения в углеродистых сталях в сравнении с перлитным превращением.

1. Мартенситное превращение протекает при быстром охлаждении углеродистой стали с температур выше А₁, например в воде, когда подавлен диффузионный распад аустенита на смесь двух фаз (феррита и карбида), резко отличающихся по составу от исходного аустенита. Концентрация углерода в мартенсите такая же, как и в исходном аустените. Следовательно, в отличие от перлитного превращения мартенситное превращение – бездиффузионное.

2. Превращение аустенита в мартенсит при охлаждении начинается с определенной для каждой марки стали температуры М_н, или M_s (в индексе стоят первые буквы слов «начало – start»). Температура начала мартенситного превращения не зависит от скорости охлаждения в очень широком диапазоне скоростей, в то время как температура начала перлитного превращения снижается с ростом скорости охлаждения. В отличие от перлитного. Мартенситное превращение невозможно подавить даже при самых больших достигнутых скоростях охлаждения. Мартенситообразование происходит в определенном интервале температур между верхней мартенситной точкой М_н и нижней мартенситной точкой, обозначаемой М_к или М_f (в индексе стоят первые буквы слов «конец – finish»). На С-диаграмме превращений переохлажденного аустенита при температурах М_н и М_к проходят горизонтали (рис. 98), указывающие на начало и конец мартенситного превращения. Зависимость температур начала и конца мартенситного превращения от содержания углерода показана на рис. 99.

Рис. 98. С-диаграмма с мартенситными точками для стали с 0,8%С; А – устойчивый аустенит; Ап – переохлажденный аустенит; Aост – остаточный аустенит; Мрт – мартенсит; Ф – феррит; К – карбид.

Рис. 99. Зависимость температур начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения от содержания углерода в системе Fe – C.

3. При температуре М_н превращение только начинается, появляются первые кристаллы мартенсита. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать углеродистую сталь в мартенситном интервале М_н – М_к. Если охлаждение приостановить и выдерживать углеродистую сталь при постоянной температуре внутри этого интервала, то образование мартенсита почти сразу же прекращается. Эта особенность наиболее ярко отличает кинетику мартенситного превращения от перлитного, которое, как показывает С-диаграмма, всегда доходит до конца при постоянной температуре ниже точки А₁, т. е. оканчивается полным исчезновением аустенита, если время изотермической выдержки достаточно велико. После мартенситного превращения даже при охлаждении стали до температуры М_к, сохраняется некоторое количество остаточного аустенита.

4. В отличие от перлитного мартенситное превращение в углеродистой стали не имеет инкубационного периода. Длина горизонтали М_н на рис. 98 никакого физического смысла как отрезок времени, в течение которого идет мартенситное превращение, не имеет. Горизонталь М_н соответствует температуре, ниже которой чрезвычайно быстро, практически «мгновенно», образуется некоторое количество мартенсита.

5. Мартенсит образуется в форме пластин, растущих с громадной скоростью (порядка 1 км/с) при любых температурах, в том числе и ниже 0° С. После «мгновенного» образования мартенситная пластина не растет. Количество мартенсита при охлаждении ниже точки М_н увеличивается не вследствие подрастания уже образовавшихся пластин, а в результате «мгновенного» возникновения все новых и новых пластин. Эта особенность также резко отличает мартенситное превращение от перлитного. В процессе развития перлитного превращения не только образуются новые, но и растут ранее образовавшиеся колонии.

6. Между решетками кристаллов мартенсита и исходного аустенита имеется определенное ориентационное соотношение, закономерная ориентировка решетки мартенсита по отношению к решетке аустенита, в то время как при перлитном превращении решетки фаз, входящих в эвтектоидную смесь, могут быть и произвольно ориентированы по отношению к решетке исходного аустенитного зерна.

7. При мартенситном превращении в углеродистых сталях на плоской полированной поверхности образца образуется характерный рельеф, свидетельствующий об изменении формы превращенного объема аустенита. При перлитном превращении такой рельеф не возникает. Характерный рельеф на исходной плоской поверхности образца может служить главным внешним признаком мартенситного превращения в стали.

Мартенситное превращение, открытое при изучении закалки углеродистых и легированных сталей, как выяснилось впоследствии, является одним из фундаментальных способов перестройки кристаллической решетки, свойственным самым разным классам кристаллических веществ: чистым металлам, безуглеродистым сплавам на основе железа, сплавам цветных металлов, полупроводниковым соединениям и др.

Для теории термической обработки наиболее важны исследования мартенситных превращений в системах Fe–С (см. рис. 69) и Fe–Ni (см. ниже рис. 104). Обе системы представляют исключительно большой практический интерес: Fe–С как основа сталей, a Fe–Ni как основа группы высокопрочных мартенситно-стареющих сплавов.

Мартенситное превращение является бездиффузионным, поэтому мартенсит в сплавах может быть и пересыщенным, и ненасыщенным твердым раствором легирующего элемента в низкотемпературной модификации базового компонента.

Рис. 101. Зависимость температуры равенства свободных энергий аустенита и мартенсита одинакового состава (Т„) и температуры М_а от содержания углерода в системе Fe=C

Рис. 102* Зависимость свободных энергий аустенита (^д) и мартенсита iFfo) o'¹ температуры

При быстром охлаждении углеродистой стали (закалка в воде – сотни градусов в секунду) аустенит успевает сильно переохладиться, не претерпев диффузионного распада на смесь двух фаз. Но аустенит не может полностью сохраниться при любом сколь угодно быстром охлаждении до комнатной температуры, так как в углеродистой стали его свободная энергия, начиная с некоторой температуры Т₀, оказывается выше свободной энергии пересыщенного твердого раствора углерода в α-железе (мартенсита), имеющего состав, одинаковый с составом исходного аустенита, и отличающегося от него типом кристаллической решетки.

Мартенсит – метастабильная фаза; она отсутствует на диаграмме состояния Fe–С, так как в равновесных условиях, когда система обладает абсолютным минимумом свободной энергии, структура сталей ниже точки А₁ (727° С) состоит из смеси двух стабильных фаз – феррита и цементита. У аустенита гранецентрированная кубическая решетка γ-железа, а у мартенсита – тетрагональная, близкая к объемноцентрированной кубической решетке α-железа. Ниже точки А₁ решетка γ-железа стабильно существовать не может. При больших переохлаждениях в условиях малой подвижности атомов полиморфное γ --> α превращение происходит, но углерод не успевает выделиться из раствора в виде карбидной фазы.

В α-железе при комнатной температуре равновесная растворимость углерода ничтожна. Поэтому мартенсит, образующийся в результате бездиффузионного полиморфного превращения аустенита в углеродистой стали, всегда является пересыщенным раствором внедрения углерода в α-железе. Чем больше углерода в исходном аустените, тем больше его и в мартенсите. С увеличением пересыщенности мартенсита углеродом растет тетрагональное искажение его решетки: отношение осей с/а = 1 + 0,046 р, где р – концентрация углерода, % (по массе). У чистого α-железа с/a = 1 (кубическая решетка), а у мартенсита, содержащего 2% углерода, с/а = 1,09.

Мартенситное превращение не может начинаться при любом сколь угодно малом переохлаждении относительно температуры Т₀. Образование кристалла мартенсита связано не только с понижением объемной свободной энергии (ΔF_oб), но и с появлением поверхностной энергии (ΔF_пов) и, что особенно важно, энергии упругой деформации (ΔF_ynp), препятствующих превращению. Энергия упругой деформации возникает, во-первых, из-за изменения удельного объема при фазовом превращении (возрастает удельный объем на 2–3%) и, во-вторых, из-за когерентности решеток мартенсита и исходной фазы.

Результирующее уменьшение свободной энергии системы

ΔF = –ΔF_oб + ΔF_пов + ΔF_ynp.

Температура М_н может служить характеристикой сплава определенного состава. Горизонталь при температуре М_н на рис. 98 указывает, что мартенситное превращение в данной стали начинается при одной и той же температуре независимо от скорости охлаждения.

Сплав, закаленный на мартенсит, при нагреве до температур выше Т₀ может претерпеть обратное мартенсито-аустенитное превращение, когда будет достигнута определенная степень перегрева и определенная движущая сила превращения ΔF. По аналогии с точкой М_н, температуру начала бездиффузионного образования аустенита обозначают через А_н (рис. 104).

Рис. 104. Зависимость температур начала мартенситного превращения при охлаждении (М_н), обратного мартенситного превращения при нагревании (А_н) и расчетной температуры равенства свободных энергий аустенита и мартенсита Т₀ = ½ (М_н + А_н) от содержания никеля в системе Fe–Ni: пунктирные линии – границы α- и γ-областей на диаграмме стабильных равновесий

Состав сплава обычно сильно влияет на температуру начала мартенситного превращения. С повышением содержания углерода в стали точка М_н сильно снижается: в сталях, содержащих менее 1% С, она находится выше 200° С, а при содержании углерода около 2% близка к комнатной температуре (см. рис. 99).

Образование аустенита мартенситным путем возможно только в таких условиях, когда подавлено диффузионное перераспределение компонентов в исходном мартенсите. Для этого температура Т₀ должна быть невысокой, а нагрев надо проводить ускоренно.

В углеродистых сталях обратное мартенситное превращение, не было обнаружено, обратное мартенситное превращение наблюдали в сплавах системы Fe–Ni (при высоком содержании никеля, когда точка Т₀ достаточно низка), в медных сплавах (например, алюминиевых бронзах) и в титановых сплавах.

Разница между температурами А_н и М_н (температурный гистерезис) может составлять как несколько градусов, так и сотни градусов. Большой гистерезис обусловлен высокой энергией упругой деформации матрицы (ΔF_ynp), препятствующей образованию в ней кристаллов новой фазы.