Теория термической обработки

Закалка с полиморфным превращением

ЗАКАЛКА С ПОЛИМОРФНЫМ ПРЕВРАЩЕНИЕМ

Закалка с полиморфным превращением – это термическая обработка

металла или сплава, при которой главным процессом является мартенситное превращение высокотемпературной фазы.

ОСОБЕННОСТИ МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ

ВУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЯХ

1.Мартенситное превращение протекает при быстром охлаждении углеродистой стали с температур выше А1.

Мартенситное превращение – бездиффузионное.

2.

Температура начала мартенситного превращения не зависит от скорости охлаждения в очень широком диапазоне скоростей.

Мартенситное превращение невозможно подавить даже при самых больших достигнутых скоростях охлаждения.

Зависимость температур начала (Мн) и конца (Мк)

мартенситного превращения от содержания углерода в системе Fe – C.

3. При температуре Мн превращение только начинается, появляются первые

кристаллы мартенсита. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать углеродистую сталь в мартенситном интервале Мн – Мк.

После мартенситного превращения даже при охлаждении стали до температуры Мк, сохраняется некоторое количество остаточного аустенита.

4. В отличие от перлитного мартенситное превращение в углеродистой стали не имеет инкубационного периода.

5. Мартенсит образуется в форме пластин, растущих с большой 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 Мн увеличивается не

вследствие подрастания уже образовавшихся пластин, а в результате «мгновенного» возникновения все новых и новых пластин.

6.Между решетками кристаллов мартенсита и исходного аустенита имеется определенное ориентационное соотношение, закономерная ориентировка решетки мартенсита по отношению к решетке аустенита.

7.При мартенситном превращении в углеродистых сталях на плоской полированной поверхности образца образуется характерный рельеф,

свидетельствующий об изменении формы превращенного объема аустенита.

Мартенситное превращение является бездиффузионным, поэтому мартенсит в сплавах может быть и пересыщенным, и ненасыщенным твердым

раствором легирующего элемента в низкотемпературной модификации базового компонента.

Мартенсит – метастабильная фаза; она отсутствует на диаграмме состояния Fe – С.

У мартенсита – тетрагональная кристаллическая решетка, близкая к объемноцентрированной кубической решетке α-железа.

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 (ΔFoб), но

и с появлением поверхностной энергии (ΔFпов) и, что

особенно важно, энергии упругой деформации (ΔFynp), препятствующих превращению.

Результирующее уменьшение свободной энергии

системы

ΔF = –ΔFoб + ΔFпов + ΔFynp.

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 Мн, температуру начала бездиффузионного образования аустенита обозначают через Ан.

Состав сплава обычно сильно влияет на температуру начала мартенситного превращения. С повышением содержания углерода в стали точка Мн сильно снижается: в

сталях, содержащих менее 1% С, она находится выше 200° С, а при содержании углерода около 2% близка к комнатной температуре

Разница между температурами Ан и Мн (температурный гистерезис) может

составлять как несколько градусов, так и сотни градусов. Большой гистерезис обусловлен высокой энергией упругой деформации матрицы (ΔFynp),

препятствующей образованию в ней кристаллов новой фазы.

МЕХАНИЗМ МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ

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, граница между исходной и новой фазой должна быть когерентной.

С ростом мартенситного кристалла на когерентной границе накапливается упругая деформация. Когда достигается предел текучести происходит нарушения когерентности. Быстрый рост кристалла по мартенситному механизму прекращается.

Кооперативное, одинаково направленное перемещение атомов при сдвиговом превращении вызывает макроскопическое изменение формы превращенного объема. Этим объясняется образование характерного рельефа при мартенситном превращении на исходной плоской поверхности образца.

Еще одна важная особенность – отсутствие диффузионного перераспределения компонентов.

Ориентационные соотношения

Экспериментально установлено (Г. В. Курдюмов), что кристаллическая решетка образующегося мартенсита закономерно ориентирована по

отношению к решетке исходной фазы.

Для сплавов на основе железа установлены следующие основные ориентационные соотношения.

1. Ориентационные соотношения Курдюмова - Закса (о.с. К-З) {111}γ || {101}α ,

_ _

<110>γ || <111> α

Относительно одного положения кристалла аустенита возможны 24 ориентации кристаллов мартенсита, удовлетворяющие о.с.К-З.