2802.Трещиностойкость железоуглеродистых сплавов

шетке, а следовательно, и максимальный уровень микронапряжений реализуются именно на границе бывших аустенитных зерен. Ситуация дополнительно ухудшается, если мартенситная пластина, растущая в соседнем аустенитном зерне, «ударит» в границу той же самой области, но с другой стороны. Эта концепция динамических эффектов, реализованных на границе аустенитного зерна, при растущих один против другого мартенситных кристаллах используется для объяснения преимущественного интеркристаллитного зарождения и развития трещин в сталях со структурой пластинчатого мартенсита [16]. Таким же образом, в отличие от сталей с реечной мартенситной структурой, граница бывших аустенитных зерен в сталях с пластинчатой мартенситной структурой оказывается с точки зрения механических свойств наиболее слабым структурным элементом.

Рис. 1.29. Формирование мартенситных пластин различной длины в одном зерне аустенита [3]

Рис. 1.30. Структура пластинчатого мартенсита [4]:

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

41

Рис. 1.31. Расположение мартенситных кристаллов в виде ферм

иостаточного аустенита (светлый фон) в закаленной стали с 1,66 % С.

Вцентральной части мартенситных кристаллов виден мидриб, ×500

(Мардер и Краусс)

Рис. 1.32. Область мидриба, ×60 000

Бабочкообразный мартенсит (батерфляй). Иногда растущие пластины мартенсита встречаются с аустенитной матрицей под тупым углом и образуют сочетание двух кристаллов, напоминающее бабочку (рис. 1.33). Такое сочетание кристаллов является причиной снижения внутренних напряжений в структуре. В англоязычной литературе такая морфологическая форма мартенсита известна как батерфляй мартенсит (butterfly). Такие кристаллы образуются в железных сплавах с содержанием 0,7 % С и 18 % Cr, которые имеют низкую мартенситную точку.

42

Рис. 1.33. Микроструктура стали с баттерфляй-мартенситом, ×150 [4]

Таким образом, мартенсит встречается в 4 морфологических формах:

1)реечный ( пакетный, массивный);

2)бабочкообразный (батерфляй);

3)пластинчатый (игольчатый, линзообразный);

4)тонкопластинчатый.

Какой морфологический тип мартенсита образуется в стали, зависит от содержания в ней углерода и степени легирования. На рис. 1.34 показаны области, в которых образуются различные типы мартенсита в зависимости от температуры и содержания углерода. На рис. 1.35 схематически показано, какой морфологический тип мартенсита образуется в зависимости от расположения мартенситного интервала (Mн–Мк) по отношению к изменению критических на-

пряжений (τкр ) сдвига и двойникования от температуры.

Очевидно, когда температурный интервал мартенситного превращения Mн–Мк выше температуры Т0, при распаде аустенита образуется реечный мартенсит (см. рис. 1.22). В случае когда интервал Mн–Мк рас-

положен ниже температуры T0* , образуется тонкопластинчатый мартенсит (см. рис. 1.24). Когда температура T0* располагается в мартенситном

интервале Mн–Мк, возможно образование как реечного, так и тонкопластинчатого мартенсита. В этом интервале образуется мартенсит батерфляй и пластинчатый (игольчатый) мартенсит. В табл. 1.1 представлены данные о количестве двойникованных кристаллов мартенсита в зака-

43

ленных сталях с различным содержанием углерода. Анализ этих результатов показывает, что при содержании С < 0,25 % образуется практически только массивный (пакетный) мартенсит, в то время как при С > 0,8 % структурасостоит изпластинчатого мартенсита.

Таблица 1.1

Изменение доли двойникованных кристаллов мартенсита в зависимости от содержания углерода в закаленных сталях

Рис. 1.34. Зависимость типа мартенсита от температуры превращения и содержания углерода в Fe-Ni-C сплавах (И. Тамура). Области существования: 1 – реечного; 2 – баттерфляй;

3 – пластинчатого; 4 – тонкопластинчатого мартенсита

44

Рис. 1.35. Формирование различных морфологических типов мартенсита в железоуглеродистых сплавах: Мрееч. – реечный мартенсит; Мпл – пластинчатый мартенсит; τдв – напряжениедвойникования; τпр – напряжениескольжения

На рис. 1.36 эти два содержания углерода нанесены на данные, представленные на рис 1.17. Хорошо видно, что температура T0* может быть принята за 250 °С. В этом смысле сталь с содержанием углерода

С< 0,25 % соответствует ситуации, представленной на рис. 1.35, а, когда образуется только массивный мартенсит. При содержании углерода

С> 0,8 % реализуется случай, представленный на рис. 1.35, б, при котором образуется тонкопластинчатый мартенсит. При содержании углерода С = 0,25…0,8 % могут образовываться оба типа мартенсита – ситуация, рассмотренная на рис. 1.35, в. Как было отмечено, для пластинчатого мартенсита характерна ярко выраженная двойниковая внутренняя зона, называемая мидриб (см. рис. 1.30) и периферийная дислокаци-

45

онная область, как в реечном мартенсите (см. рис. 1.29). Предполагают, что исключительно быстрое образование двойникованной мидрибной плоскости ведет к повышению температуры, что (см. рис. 1.35, в) благоприятствует смене механизма аккомодационной деформации – от двойникования кдислокационному скольжению [3].

Рис. 1.36. Схема А.П. Гуляева (см. рис.1.17) с нанесенной на нее температурой T0*

Для полноты изложения необходимо отметить, что в отдельных редких случаях образованная мартенситная фаза может иметь гексагональную плотноупакованную решетку. Структура этого типа известна как эпсилон-мартенсит (ε), кристаллы которого представляют собой длинные тонкие пластинки.

1.4.5. Кинетика мартенситного превращения

По характеру кинетики своего образования различают три типа мартенситного превращения: атермическое, взрывное и изотермиче-

ское (рис. 1.37).

Атермическое превращение протекает при температурах выше комнатной, в то время как взрывное и изотермическое реализуются обыкновенно при отрицательных температурах. На рис. 1.37, а представлена кинетическая зависимость атермического превращения.

46

После начала образования мартенсита в точке Мн, процесс характеризуется плавным увеличением его количества во время охлаждения до завершения превращения в точке Мк.

Рис. 1.37. Мартенситное превращение: а – атермическое; б – взрывное в – изотермическое

Остановка охлаждения при данной температуре в интервале Мн– Мк прекращает образование мартенсита. Эта особенность и послужила основанием для того, чтобы назвать превращение атермическим. Поскольку этот тип превращения, как мы уже отмечали, протекает обыкновенно при температурах выше комнатной, т.е. при температурах, при которых на практике проводится закалка в производственных условиях, интерес к такому типу превращения наибольший.

При охлаждении до комнатной температуры превращение никогда не протекает до конца и всегда в структуре сохраняется определенное количество остаточного аустенита, которое в зависимости от содержания углерода и легирующих элементов в стали может изменяться от 2 до 60 %.

На рис. 1.37, б представлена кинетическая зависимость взрывного превращения мартенсита. Характерной особенностью является скачкообразное образование новой фазы после достижения точки Мн.

Само превращение сопровождается звуковым эффектом в форме щелчка. Количество образовавшегося мартенсита зависит от состава сплава и может достигнуть 70 %. Такое превращение характерно для сплавов типа Fe-Ni и Fe-Ni-C, для которых точка Мн находится при температуре ниже комнатной.

47

Кинетическая диаграмма изотермического превращения мар-

тенсита схематически представлена на рис. 1.37, в. Она характерна для сплавов типа Fe – Ni – Mn и Fe – Ni – Cr, у которых точка Мн ниже комнатной температуры. По своему характеру изотермическое превращение похоже на обыкновенное фазовое превращение (рис. 1.38), но необходимо подчеркнуть, что само образование мартенситных кристаллов протекает со всеми характерными для этого превращения особенностями (с большой скоростью образования мартенситных кристаллов, в температурном интервале и всегда с сохранением известного количества остаточного аустенита).

Рис. 1.38. Диаграмма изотермического превращения аустенита в мартенсит в сплаве Fe – 23,4 %Ni – 3,3 % Mn. Цифры у кривых показывают количество образовавшегося мартенсита (О.П. Максимова, Л.И. Никифорова)

Необходимо помнить, что во всех случаях увеличение количества мартенсита всегда происходит в результате возникновения новых кристаллов, а не за счет роста уже образовавшихся.

48

1.4.6. Аустенит в структуре закаленных сталей

Аустенит, который содержится в структуре закаленных на мартенсит сталей, бывает двух видов – остаточный и ревертированный. Кратко остановимся на их происхождении.

Остаточный аустенит (Аост). Как было многократно отмечено, мартенситное преврашение не протекает до конца и часть аустенита всегда сохраняется. Причины этого явления достоверно не установлены и имеют предположительный характер. В литературе обсуждаются две гипотезы.

1. С накоплением определенного количества мартенсита в структуре оставшийся объем аустенита, блокированный между образовавшимися мартенситными кристаллами, испытывает всестороннее давление, что препятствует протеканию в нем пластических деформаций по определенным кристаллографическим плоскостям, которые, со своей стороны, являются местом зарождения мартенситных кристаллов. Исчерпание возможности зарождения новой мартенситной фазы является причиной прекращения превращения аустенита в мартенсит. По этой причине, например, сторонники такой теории считают, что в процессе образования мартенсита, если в аустените протекают релаксационные процессы, то они являются причиной уменьшения количества образованного в результате охлаждения мартенсита. Такой эффект наблюдается, если в температурном интервале Мн–Мк на известное время прекратится охлаждение. В этот период происходят релаксационные процессы, благодаря которым при последующем охлаждении увеличивается количество остаточного аустенита.

2. Блокирование легкоподвижными атомами С и N дислокационных процессов, возникающих в процессе образования мартенситных кристаллов, необходимых для продолжения образования мартенситной фазы. В качестве доказательства этой идеи считается факт, что во многих свободных от углерода и азота сплавах не наблюдается стабилизация аустенита.

Ревертированый аустенит (Арев). Этот вид аустенита получа-

ется при последующем нагреве стали выше критической точки T0*

49

(см. рис. 1.16), когда в температурном интервале Ан–Ак начинается обратное превращение мартенсита в аустенит. В реально созданной двухфазной зоне равновесный химический состав новообразованного аустенита сильно отличается от первоначального, который превращается в мартенсит при закалке. К этому аустениту начинают диффундировать такие элементы, как углерод, азот, никель и марганец. Все они стабилизируют этот новообразовавшийся аустенит. Его мартенситная точка Мн значительно понижается, и при последующем охлаждении он не претерпевает мартенситного превращения. Обратное превращение мартенсита в аустенит наблюдается в сплавах, в которых мартенсит представляет собой твердый раствор замещения, как в случае со сплавами Fe – Ni или Cu – Al. В углеродистых сталях, где мартенсит представляет собой твердый раствор внедрения углерода в решетку железа, обратное превращение мартенсита в аустенит не наблюдается из-за высокой подвижности углерода. Распад мартенсита протекает быстро и реализуется прежде достижения температуры начала образования аустенита (Ан). В результате образуется феррито-карбидная структура [4]. Термин «ревертированный» введен В.М. Счастливцевым и происходит от английского глагола reverte (возвращение к предыдущему состоянию).

В обыкновенных нелегированных сталях из-за высокой подвижности углерода обратное превращение мартенсита в аустенит не наблюдается. В этом случае распад мартенсита протекает быстро, в результате чего образуется ферритокарбидная структура, прежде чем будет достигнута температура начала образования ау-

стенита (Ан).

Чтобы реализовать обратное превращение мартенсита в аустенит, необходимо задержать диффузию углерода путем достаточно сильного понижения равновесной температуры Т0 (см. рис. 1.15) достигается с помощью подходящего легирования (например, никелем, марганцем и хромом). Высокая скорость нагрева также благоприятствует обратному мартенситному превращению.

50