Механизм мартенситного превращения

Изучение мартенситных превращений привело к представлению о том, что в зависимости от условий могут реализоваться два механизма перестройки решетки – сдвиговый (мартенситный) и так называемый «нормальный».

Нормальное превращение. При нормальном полиморфном превращении кристаллы новой фазы растут путем неупорядоченных, взаимно не связанных переходов атомов через границу.

Сдвиговое (мартенситное) превращение. Сдвиговый (мартенситный) механизм фазового превращения отличается упорядоченным, кооперативным, взаимосвязанным характером перемещений атомов на расстояния меньше межатомных без обмена атомов местами так, что соседи любого атома в исходной фазе остаются его соседями в новой, мартенситной фазе.

Тогда, если при превращении соседи любого атома в исходной фазе остаются его же соседями в новой фазе, на границе фаз окружение из старых соседей вокруг каждого атома также должно сохраняться, т. е. граница должна быть когерентной.

Когерентность, упругое сопряжение двух решеток на границе мартенсита и исходной фазы обусловливают возможность чрезвычайно быстрого движения границы в сторону матрицы даже при очень низких температурах, так как для такого «скользящего» движения не требуется диффузии с миграцией атомов на расстояния, превышающие межатомные. На границе происходит лишь кооперативное перемещение атомов на расстояния меньше межатомного, результатом которого и является перемещение самой границы в сторону исходной фазы, т. е. рост мартенситного кристалла.

С ростом мартенситного кристалла на когерентной границе накапливается упругая деформация, пока, наконец, не достигается предел текучести и наступает разрядка упругих напряжений вследствие нарушения когерентности. Тогда уже, когда на границе кристалла мартенсита с материнской фазой возникает неупорядоченное расположение атомов, «скользящее» движение границы становится невозможным и быстрый рост кристалла по мартенситному механизму прекращается. Дальнейший рост кристалла мартенсита возможен только путем неупорядоченного перехода атомов через границу, а так как мартенситное превращение протекает в области температур, где самодиффузия идет крайне медленно, то и подрастание мартенситного кристалла после разрыва когерентности может практически не наблюдаться.

Таким образом, рассмотренный механизм сдвиговой перестройки решетки объясняет две важные особенности мартенситного превращения: громадную скорость роста кристаллов мартенсита в условиях малой подвижности атомов (вплоть до температур, близких к абсолютному нулю) и быстрое прекращение их роста.

Кооперативное, одинаково направленное перемещение атомов при сдвиговом превращении вызывает макроскопическое изменение формы превращенного объема, а в месте выхода мартенситного кристалла на открытую поверхность исходной фазы – наклон соответствующего участка поверхности. Этим объясняется обязательное образование характерного рельефа при мартенситном превращении на исходной плоской поверхности образца.

Для полиморфного превращения твердых растворов по мартенситному механизму характерна еще одна важная особенность – отсутствие диффузионного перераспределения компонентов. Действительно, если атомы во время превращения не обмениваются местами и каждый атом не меняет своего окружения, то концентрация образующегося твердого раствора должна быть в точности такой же, как и в исходной фазе (например, концентрация углерода в мартенсите такая же, как и в аустените).