2802.Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов

ритную и карбидную фазы, которые по сравнению с исходной аустенитной фазой имеют резко отличающийся состав. Мартенситное превращение бездиффузионно.

2.Мартенситное превращение начинается при определенной на-

чальной температуре Мн, которая зависит от химического состава стали. Температура Мн в широком диапазоне скоростей охлаждения не зависит от скорости охлаждения, в то время как температура начала перлитного превращения понижается с увеличением скорости охлаждения. В отличие от перлитного превращения мартенситное не может остановиться даже при очень больших скоростях охлаждения. Мартенситное превращение заканчивается при определенной конеч-

ной температуре Мк, т.е. протекает в определенном температурном интервале Мн–Мк (см. рис. 1.17).

3.Для реализации мартенситного превращения необходимо, чтобы углеродистая сталь непрерывно охлаждалась в мартенситном

интервале Мн–Мк. Если охлаждение останавливается, то останавливается и превращение. Это обстоятельство принципиально отличает мартенситное превращение от перлитного, при котором для данной температуры изотермической выдержки аустенитная фаза полностью распадается.

4.Мартенситное превращение в углеродистых сталях не имеет инкубационного периода.

5.После окончания мартенситного превращения всегда в структуре остается определенное количество остаточного аустенита (см.

рис. 1.18).

6.Количество мартенсита в процессе фазового превращения увеличивается не за счет роста уже образовавшегося мартенсита, а в результате зарождения все новых и новых кристаллов. Эта особенность сильно отличает мартенситное превращение от перлитного, при котором количество перлитной фазы увеличивается и за счет роста перлитных образований.

7.Решетка мартенситного кристалла определенным образом ориентирована по отношению к решетке аустенита.

8.На плоской полированной металлической поверхности в результате мартенситного превращения образуется характерный рель-

31

еф благодаря разнице в удельных объемах аустенита и мартенсита. Образование рельефа является характерным признаком протекания мартенситного превращения.

1.4.3. Кристаллография мартенситного превращения

При превращении аустенита в мартенсит из-за невозможности реализации диффузионного процесса необходимо с помощью минимальных перемещений атомов в границах кристаллической решетки аустенита создать новую решетку мартенсита.

По Г.В. Курдюмову [6], «мартенситный механизм фазового превращения отличается упорядоченным, кооперативным, взаимосвязанным характером перемещения атомов на расстояния, меньшие межатомных, без смены атомами мест, таким образом, что соседи этого атома в исходной фазе (в данном случае аустенитной) остаются его соседями в новой мартенситной фазе». Решение этой задачи было предложено в 1924 году Бейном (рис. 1.19). Показаны две соседние гранецентрированные кристаллические решетки аустенита. Утолщенными линиями очерчена кристаллическая решетка мартенсита, а крестиком показан атом углерода, расположенный в октаэдрической поре аустенитной решетки, который благодаря своим малым размерам относительно свободно передвигается в решетке. На рис. 1.20 отдельно показана новообразовавшаяся элементарная кристаллическая ячейка мартенсита, в которой атомы углерода статистически равномерно могут распределяться в октаэдрических порах бывшей аустенитной решетки по направлениям [100], [010] и [001]. На практике углеродные атомы распределяются преимущественно по направлению [001], что, как показали расчеты, сделанные К. Зинером и А.Г. Хачатуряном, приводит к накоплению минимальной упругой энергии при превращении аустенита в мартенсит. Очевидно, при таком избирательном распределении атомов углерода параметр с будет больше параметра а (с > а), и новообразовавшаяся ячейка мартенсита будет тетрагональной. Степень тетрагональности зависит от количества углерода в стали и может быть описана линейной зависимостью [4]:

32

Рис. 1.19. Тетрагональная ячейка α-мартенсита в кристаллической решетке аустенита

Рис. 1.20. Тетрагональная решетка мартенсита

Рис. 1.21. Зависимость периодов решетки мартенсита (а)

и степени тетрагональности (б) от содержания углерода в стали [4]

33

На рис 1.21 показаны зависимости а, с и с/а от содержания углерода в стали. Кроме рассмотренной на рис 1.19 ориентировки между решетками мартенсита и аустенита по Бейну, предложены и другие (Курдюмов – Закс, Нишияма и Гринингер – Трояно), которые энергетически являются более выгодными. Минимальная упругая энергия при бездиффузионном превращении аустенита в мартенсит, естественно, требует максимального совпадения плоскости, которая разделяет эти два кристалла, т.е. требует ее максимальной инвариантности. Такая разделительная плоскость называется габитусной. Билби и Кристиан предложили схему, которая объясняет сохранение инвариантности габитусной плоскости (рис. 1.22). На рис. 1.22, а представлена часть решетки исходной аустенитной фазы. На рис 1.22, б показан тот же участок после превращения его в мартенсит. Однако с помощью деформации скольжением (рис. 1.22, в) или двойникованием (рис. 1.22, г) габитусная плоскость (вертикально заштрихована) сохраняется одной и той же (инвариантной) как для аустенита, так и для мартенсита. Такая аккомодационная, приспособляющая, деформация присуща мартенситному превращению.

Рис. 1.22. Виды деформации при мартенситном превращении (схема Б. Билби и Дж. Кристиан): а – исходный недеформированный участок кристалла; б – изменение формы кристалла при превращении; в – восстановление формы кристалласкольжением; г– восстановление формыкристалладвойникованием

1.4.4.Морфология мартенситных кристаллов

Взависимости от состава сплавов на основе железа наблюдаемые мартенситные структуры могут значительно отличаться по своей форме, особенностям структуры и способу сочетания между собой в различные ансамбли. Это связано с тем, что объем мартенситных кристаллов больше, чем аустенитных, из которых они образуют-

34

ся, в результате чего возникают большие внутренние напряжения. Для того чтобы минимизировать эти напряжения, в зависимости от условий, при которых они образуются, мартенситные кристаллы группируются и организуются соответствующим образом. В конструкционных углеродистых и низколегированных сталях наблюдаются главным образом два морфологических типа мартенсита: реечный и пластинчатый. Рассмотрим подробнее микроструктуру и субструктуру этих двух морфологических форм мартенсита.

Реечный мартенсит – этот тип мартенсита является основной структурой, получаемой при закалке углеродистых и низколегированных сталей с содержанием углерода до 0,30–0,40 %. Отдельный кристалл представляет собой тонкую пластину в форме рейки (рис. 1.23, а) толщиной от 0,2 до 2–3 мкм и размерами в соотношении a : b : c = = 1 : 7 : 30. Отсюда и название – «реечный». В одном аустенитном зерне образуются несколько участков, в которых мартенситные рейки располагаются параллельно друг другу и вместе образуют отдельный пакет толщиной d = 3…20 мкм (рис. 1.23, б). Такой мартенситный комплекс в литературе обозначается как пакетный мартенсит. Полученная таким образом пакетная конструкция имеет массивный вид, из-за чего этот мартенсит в литературе известен еще как массивный.

Рис. 1.23. Мартенситная рейка (а) и мартенситный пакет(б)

Субструктура отдельных реек пакетного мартенсита характеризуется высокой плотностью ρ дислокаций, ρ = 1010…1012 см–2. Из-за этой своей особенности такой мартенсит иногда называют дислока-

ционным [7, 8].

35

Важно отметить, что мартенситные кристаллические рейки образуются и вырастают в мартенситной кристаллической решетке в результате гомогенного скольжения (см. рис. 1.22, в), располагаясь почти параллельно в отдельном пакете. В конкретных условиях образования пакетного мартенсита этот механизм деформации путем скольжения обеспечивает максимально благоприятные энергетические условия аккомодации (приспособления) при превращении аустенита в мартенсит. На рис 1.24 показаны характерные структуры пакетного мартенсита. Реечный мартенсит имеет габитусную плоскость, близкую к плоскости {111}γ аустенита. Эта плоскость часто идентифицируется как {557}γ [4, 5]. Для большинства сталей плоскость (001)α отклоняется на угол 1о от (111) γ, а направления [111] α – на угол около 2о от [101]γ и направления [011]α и на 3º от [112]γ [4]. Исследования [9] показали, что каждый пакет состоит из реечного мартенсита с шестью кристаллографическими ориентировками. Согласно другим исследованиям [10] в мелкозернистом мартенсите, образовавшемся в аустенитном зерне размером 25–30 мкм, присутствуют рейки 1–2 ориентировок, а при размере зерна около 1 мкм целый мартенситный пакет образован из реек с одной кристаллографической ориентацией, при этом все границы между мартенситными рейками малоугловые. Согласно данным, опубликованным в [11], для сталей с содержанием углерода 0,2 % до 83 % границ между рейками в пакетном мартенсите малоугловые и проницаемые для дислокаций. Границы между мартенситными пакетами в основном высокоугловые. Так, согласно [12] граница между мартенситными пакетами сравнительно однородная высокоугловая с вкраплениями участков с хорошей когерентностью. При этом участки с малоугловой разориентировкой составляют 6 %, в то время как еще 17 % участков имеют разориентировку, близкую когерентной. Другими словами, большеугловая граница между пакетами составляет около 77 %. Следовательно, при образовании реечного мартенсита создается одна новая высокоугловая граница между мартенситными пакетами, которая играет роль дополнительного барьера при распространении трещины. Накопленный до настоящего времени экспериментальный ма-

36

териал дает основание принять мартенситный пакет за тот структурный элемент, который отвечает за трещиностойкость материала. В [13] утверждается, что напряжение, при котором реализуется хрупкое разрушение после закалки и отпуска в стали с содержанием углерода 0,3 %, определяется размером мартенситных пакетов. В то же время в сталях со структурой пластинчатого мартенсита таким структурным элементом являются бывшие аустенитные зерна.

Рис. 1.24. Структура пакетного мартенсита:

а – низкоуглеродистая сталь, ×100; б – сплав Fe–1,94 % Mo, ×200 [3]

Процесс формирования реечного мартенсита по сравнению с пластинчатым имеет и дополнительные особенности. Параллельные кристаллы – пластинки, которые формируют пакет, зарождаются на различных участках границы между аустенитными зернами и растут внутрь зерна (рис. 1.25, а). Пластинчатый мартенсит зарождается на границе аустенитного зерна и останавливается, достигая противоположного края зерна или ранее образовавшейся мартенситной пластины (рис. 1.25, б). В [9, 14] показано, что мартенситный пакет не является комплексом произвольно ориентированных мартенситных кристаллов, а есть своеобразный ансамбль самосогласующихся кристаллов, при образовании которого минимизируются возникшие при мартенситном превращении напряжения. В связи с этой особенностью напряжения, которые возникают, в значительной степени компенсируются на границах каждого пакета и не воздействуют на границы бывших аустенитных зерен.

37

Рис. 1.25. Особенности формирования пакетного (а) и пластинчатого (б) мартенсита

Тонкопластинчатый мартенсит. В сталях, у которых начало мартенситного превращения (Mн) лежит гораздо ниже комнатной температуры, в интервале от минус 120 °С до минус 180 °С образуется тонкопластинчатый мартенсит (рис. 1.26). Для этого мартенсита механизмом деформации, с помощью которого реализуется аккомодация (приспособление) новообразовавшегося мартенситного кристалла к решетке аустенитной матрицы, является двойникование (см. рис. 1.22, г). При сравнении морфологии реечного и тонкопластинчатого мартенсита становится ясно, что разница между ними основывается на способе аккомодации, который реализуется при их образовании. При относительно высоких температурах интервала, в котором аустенит превращается в мартенсит, аккомодационная деформация протекает только по механизму скольжения, в результате чего образуется исключительно реечный мартенсит. При значительных отрицательных температурах, когда основным механизмом релаксации напряжений на границе растущих кристаллов с матрицей становится двойникование, образуется тонкопластинчатый мартенсит. На рис 1.27 схематично представлена зависимость критического напря-

жения (τêð ) скольжения и двойникования в зависимости от температуры. Эти зависимости пересекаются в точке T0 . Очевидно, при более высоких температурах, когда T > T0 , деформация скольжением

протекает при более низких напряжениях и аустенит превращается в реечный мартенсит. И обратно, при низких температурах, когда

T < T0 , деформация путем двойникования реализуется легче и аустенит превращается в тонкопластинчатый мартенсит.

38

Рис. 1.26. Тонкопластинчатый мартенсит [4]:

а– начало превращения, ×200; б – развитие превращения, ×200;

в– тонкая структура, ×33000

Рис. 1.27. Температурные зависимости напряжений скольжения и двойникования: 1 – скольжение; 2 – двойникование

Пластинчатый мартенсит – это раньше всего изучавшийся мартенсит, и поэтому его называют «классическим» [5]. Наблюдается в высокоуглеродистых сталях или в безуглеродистых сплавах же-

39

леза, которые сильно легированы, например сплав Fe-Ni с содержанием Ni более 28% [5]. Образуется в форме пластины, откуда идет и его название, но попадание этой пластины в плоскость шлифа, чтобы ее можно было наблюдать под микроскопом, очень редкое явление (рис. 1.28) [15]. Обыкновенно фиксируется сечение этой пластины, которое имеет форму иглы, из-за чего этот тип мартенсита назы-

вают еще игольчатым.

Рис. 1.28. Редкий случай расположения мартенситной пластины в плоскости шлифа, х750 (А.П. Гуляев, Е.В. Петунина)

Он создает характерные группы в виде «ферм» и «зигзагов» (рис. 1.29, 1.30 и 1.31). Элементы этих ферм состоят из двух отдельных мартенситных кристаллов, сросшихся вместе во взаимно двойниковой ориентации. Граница между этими двумя кристаллами называется мидриб и состоит из тонких двойниковых пластин (рис. 1.31, 1.32). Периферийная зона этих мартенситных кристаллов наполнена хаотично расположенными дислокациями с относительно небольшой плотностью, порядка ρ = 109…1010 см2, и по своей структуре напоминает реечный мартенсит [4]. При образовании пластинчатого мартенсита (см. рис. 1.25, б) новообразовавшиеся кристаллы, особенно первые из них, зарождаясь на границе аустенитного зерна, подрастают, целиком пересекая его, достигая противоположной части его границы. При этом максимальное перемещение атомов в ре-

40