книги из ГПНТБ / Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник

После чрезвычайно быстрого формирования рост мартенситного кристалла прекращается. Нарастание количества мартенсита с по­ нижением температуры при атермическом и взрывном превращени­ ях или с увеличением времени выдержки при изотермическом пре­ вращении происходит вследствие образования новых кристаллов, а не роста ранее образовавшихся. Скоростная микрокиносъемка на­ глядно демонстрирует эту важнейшую особенность мартенситного превращения.

Характерная черта кинетики всех мартенситных превращений — их автокаталитичность: образование первых пластин влечет появ­ ление рядом с ними новых пластин, которые способствуют появле­ нию еще большего числа пластин и т. д., вследствие чего процесс некоторое время развивается как цепная реакция. Именно этим объясняется ускорение образования мартенсита на первых стадиях изотермического превращения (см. рис. 136,6 и 138). Если к нача­ лу изотермической выдержки уже образовался, хотя бы и в неболь­ шом количестве, мартенсит в объеме или на поверхности образца, то он стимулирует развитие изотермического превращения, кото­ рое сразу начинается с максимальной скоростью. На мартенситной кривой в этом случае отсутствует начальный участок ускорения превращения.

Автокаталитичность процесса наиболее ярко проявляется при взрывном превращении. Мартенситный взрыв — результат того, что образование одной пластины вызывает немедленную цепную реак­ цию появления серии пластин. Причиной автокаталитичности счита­ ют поле упругих напряжений у кромки растущей пластины мартенгита, которое способствует появлению новых пластин.

Ярко выраженный взрыв происходит тогда, когда пластины име­ ют габитус 1259 Показано, что именно при таком габитусе у кром­

ки пластины мартенсита возникают высокие напряжения в аустени­ те, стимулирующие появление новых пластин. При образовании мартенситных пластин с габитусом 1225 J- взрыва не наблюдается.

Поэтому мартенсит с габитусом пластин | 2591 и характерным двой­

никованным мидрибом иногда называют взрывным мартенситом. Резкой разницы между взрывным и обычным атермическим пре­

вращением не существует. Если при изменении состава, например увеличении содержания никеля в сплавах Fe—Ni—С, габитус по­ степенно меняется от | 225 } до | 259 то одновременно возрастает

и величина взрыва — количество взрывообразно возникающего мартенсита. При изменении состава сплава происходит постепен­ ный переход от атермического к ярко выраженному взрывному превращению. Например, в системе Fe—Ni при содержании 29% Ni превращение характеризуется типично атермической кинетикой, а при содержании 31 и 32% Ni — взрывной, причем величина взрыва у сплава с 32% Ni больше, чем у сплава с 31% Ni (см. рис. 137).

Взрывное превращение можно рассматривать как разновид­ ность атермического, когда автокаталитичность процесса особенно

ярко выражена. В свою очередь атермическое превращение принци­ пиально не отличается от изотермического. Обе эти разновидности

240

кинетики мартенситных превращений, как показано Г. В. Курдюмовым, следует рассматривать на основе единых представлений о температурной зависимости скорости зарождения центров превра­

щения.

Поскольку скорость роста кристаллов мартенсита независимо' от температуры громадная, то наблюдаемое с понижением темпера­ туры сначала увеличение, а затем уменьшение скорости изотерми­ ческого превращения (рис. 138 и 139) обусловлено только темпе­ ратурной зависимостью скорости зарождения кристаллов мартен­ сита.

Скорость зарождения мартенсита, как и при любом фазовом

температуре То метастабильного равновесия исходной фазы и мар­ тенсита разность свободных энергий этих фаз (AF0б на рис. 121) равна нулю и превращение не идет. С понижением температуры эта разность, являющаяся термодинамическим стимулом превращения, нарастает и работа образования зародыша мартенсита (ДЕКр) уменьшается, что приводит к ускорению мартенситного превраще­ ния и сокращению инкубационного периода. С дальнейшим пони­ жением температуры подвижность атомов становится настолько ма­ лой, что, несмотря на большую величину ДЕоб и соответственно ма­ лую работу образования зародышей, их появление тормозится.

Внекоторой промежуточной области еще не слишком низких температур уменьшение работы образования зародышей может привести к столь быстрому превращению, что ни инкубационный период, ни изотермичность превращения (его развитие во времени) не удается экспериментально зафиксировать.

Взависимости от состава сплава и абсолютного значения Г& можно встретить разные экспериментально наблюдаемые случаи. Например, если точка То низка, то при любых температурах обна­ руживается изотермичность превращения (рис. 138 и 139), так как при любых температурах в мартенситном интервале скорость пре­ вращения сравнительно невелика. Если же температура Т0 находит­ ся значительно выше комнатной, то изотермическое превращение можно наблюдать только в области температур вблизи точки Мн и при сравнительно низких температурах (обычно отрицательных, ре­

же— комнатной). Между этими интервалами температур, где экс­ периментально наблюдается изотермическое превращение, может находиться область температур, в которой изотермическое превра­

щение протекает с громадной скоростью и поэтому создается впе­ чатление об отсутствии изотермичное™. С этих позиций не исклю­ чено, что собственно атермического превращения вообще не суще­ ствует, так как оно является обычным изотермическим превраще­ нием, протекающим с громадной скоростью при каждой температу­ ре в период закалочного охлаждения. Именно поэтому в сплавах, для которых в целом характерна «атермическая» кинетика, часто в той или иной степени обнаруживается изотермическое образова­

ние мартенсита при остановке охлаждения.

241

Обнаружение Г. В. Курдюмовым и О. П. Максимовой полностью изотермического мартенситного превращения явилось прямым до­ казательством того, что зарождение кристаллов мартенсита — это зависящий от температуры, термически активируемый процесс, как и любой процесс зарождения кристаллов новой фазы (см. § 18). В связи с этим само понятие «атермическое превращение» противоре­ чит термической природе образования зародышей. Более подходя­ ще, но менее распространено другое название «неизотермическое превращение», указывающее лишь на то, что мартенсит образуется не при одной температуре, а при разных температурах во время охлаждения.

Важнейшая особенность кинетики мартенситных превращений— прекращение образования мартенсита при наличии неизрасходо­ ванной исходной фазы (аустенита), необходимость понижения тем­ пературы для возобновления превращения. Так как мартенситное превращение развивается вследствие образования новых, а не ро­ ста ранее образовавшихся кристаллов, то прекращение превраще­ ния означает прекращение образования зародышей мартенсита. В связи с тем что механизм зарождения мартенсита надежно не установлен, рассматриваемая важнейшая особенность кинетики мартенситных превращений имеет только предположительное объ­ яснение.

Современные трактовки исходят из гипотезы гетерогенного за­ рождения мартенсита в заранее подготовленных участках аустени­ та с иным, чем у матрицы, составом или, скорее, с особым строе­ нием (см. § 34). Эти особые участки в аустените (эмбрионы) отли­ чаются один от другого размерами, составом и строением. Когда при охлаждении термодинамический стимул превращения — раз­ ность свободных энергий аустенита и мартенсита— достигает опре­ деленной величины, указанные особые участки в аустените превра­ щаются в активные, способные к росту зародыши мартенсита. Вблизи точки Л4Нв виде центров превращения реализуются только те участки аустенита, в которых работа образования зародышей мартенсита минимальна. По исчерпании таких участков превраще­ ние останавливается. Для его возобновления необходимо понизить температуру, чтобы увеличить разность свободных энергий аусте­ нита и мартенсита.

Затуханию мартенситного превращения при изотермической вы­ держке (см. рис. 138) способствует также прогрессирующее разбие­ ние аустенитного зерна на все более мелкие отсеки (см. рис. 131). С сокращением размера таких отсеков уменьшается размер новых мартенситных кристаллов, и поэтому объемная доля образующего­ ся мартенсита, приходящаяся на каждый его зародыш, становится меньше.

2. Термическая стабилизация

Под стабилизацией исходной фазы понимают затруднение ее превращения в мартенсит в результате теплового (термическая ста­ билизация), механического (механическая стабилизация) или лю­ бого другого воздействия.

242

Термическая стабилизация аустенита, которую обычно называ­ ют просто стабилизацией, наблюдается при временной остановке охлаждения железного сплава в мартенситном интервале атермического превращения. Если прервать охлаждение при температуре Тпс М ц (но выше Мк) и сделать здесь выдержку, то аустенит ста­ билизируется. Стабилизация проявляется в том, что по возобновле­ нии охлаждения превращение начинается не сразу при температуре Тп, а после переохлаждения аустенита (гистерезиса) до некоторой

температуры Мн (рис. 140). При этом мартенсита часто образуется меньше по сравнению с непрерывным охлаждением (мартенситная кривая 2 на рис. 140 идет ниже кривой 1) и количество остаточно­

го аустенита возрастает. Возобновляющееся при температуре Ми мартенситное превращение может

Мерой эффекта стабилизации часто служит температурный ги­

стерезис 0= 7’п—М н (рис. 140).

Степень стабилизации аустенита зависит от температуры пре­ рывания охлаждения Т„ и выдержки при этой температуре. Если же после прерывания охлаждения сплав был нагрет до некоторой температуры Тс> Т п, то степень стабилизации 0 зависит от Тс и времени выдержки при этой температуре.

С понижением Тп, т. е. с ростом количества мартенсита, присут­ ствующего при стабилизирующей выдержке, степень стабилизации возрастает. Более сложно влияние времени выдержки. С увеличе­ нием времени выдержки при температуре Гп или Тс степень стаби­ лизации может непрерывно возрастать (кривые 2 и 3 на рис. 140). При достаточно высоких температурах увеличение времени вы­ держки сначала приводит к росту, а затем к уменьшению степени стабилизации. Чем выше температура Тс, тем быстрее достигается максимум 0.

243

На стали с 1,4% С и 5% Ni было обнаружено, что величина 0 с увеличением времени выдержки при температуре Т0 после про­ хождения через максимум снижалась и становилась отрицательной. Это означает, что большие выдержки после прерывания охлажде­

ния приводили не к стабилизации (М„*<7п), а к противоположно­ му эффекту — активированию мартенситного превращения (М н>

> Г П).

Термическая стабилизация аустенита — сложный процесс. Впол­ не возможно, что в разных случаях, например в разных температур­ ных интервалах, действуют разные механизмы стабилизации.

В термическую стабилизацию при температурах ниже точки Мя определенный вклад может внести релаксация упругих напря­ жений в аустенитной матрице вокруг мартенситных пластин. Эти напряжения, как уже отмечалось, вызывают автокаталитический эффект, свойственный всем мартенситным превращениям. Умень­ шение упругих напряжений вокруг мартенситных кристаллов хоро­ шо объясняет повышение степени стабилизации с увеличением вре­ мени выдержки, но не может объяснить снижения 0 при больших выдержках.

Для понимания природы стабилизации аустенита весьма важно, что термическая стабилизация наблюдается только в тех сплавах на основе железа, которые содержат, хотя бы и в сравнительно не­ большом количестве, элементы внедрения: углерод и азот. Поэто­ му почти все современные гипотезы механизма термической стаби­ лизации аустенита исходят из предположения о решающей роли сегрегации атомов углерода или азота.

Атомы элементов внедрения во время стабилизирующей вы­ держки могут сегрегировать в потенциальные участки зарождения в аустените, препятствуя превращению этих участков в зародыши мартенсита. Они могут сегрегировать на межфазную границу мат­ рицы и зародыша, препятствуя его росту.

Весьма убедительна гипотеза, связывающая термическую ста­ билизацию с деформационным старением — образованием сегрега­ ций из внедренных атомов на дислокациях в аустените. Так как об­ разование мартенситного кристалла вызывает пластическую дефор­ мацию аустенитной матрицы, то упрочнение ее при деформацион­ ном старении затрудняет мартенситное превращение. Развитие де­ формационного старения аустенита с увеличением времени выдерж­ ки при температуре Тс объясняет рост 0. Уменьшение эффекта ста­ билизации с дальнейшим увеличением времени выдержки легко объяснить перестариванием (см. § 45), с которым связано падение предела текучести аустенита. Достижение отрицательных значений 0 можно связать с далеко зашедшим перестариванием, которое, вопервых, сильно разупрочняет аустенит и, во-вторых, может приве­ сти к обеднению аустенита углеродом вблизи выделений карбида. Такие обедненные углеродом участки имеют повышенную темпера­ туру Мп. С повышением температуры Тс деформационное старение ускоряется и соответственно ускоряется достижение максимума 0.

Рассмотренное в § 33 снижение температуры Мв при переходе

244

от чрезвычайно больших скоростей охлаждения выше этой темпе­ ратуры к обычным скоростям закалки в воде также является ре­ зультатом стабилизации аустенита из-за предполагаемого закреп­ ления дислокаций сегрегациями атомов углерода.

Термическая стабилизация проявляется при мартенситном превращении не только в железных, но и в других сплавах. Так, в сплаве меди с 15% (ат.) Sn, закаленном в воде, при охлаждении в жидком азоте развивается атермическое превращение. Если после закалки в воде сделать выдержку при комнатной температуре, то при последующем охлаждении точка Мн и количество образовав­ шегося мартенсита оказываются пониженными и в тем большей степени, чем дольше была выдержка. Четырехдневная выдержка полностью подавляет мартенситное превращение. Одной из причин этой термической стабилизации может быть постепенно развиваю­ щаяся при комнатной температуре сегрегация атомов олова в ис­ ходной фазе, затрудняющая образование и рост зародышей мар­ тенсита.

3. Влияние деформации исходной фазы на кинетику мартенситного превращения

Пластическая деформация исходной фазы оказывает сложное влияние на мартенситное превращение. В § 33 отмечалось, что пла­ стическая деформация при температурах выше точки Мн вызывает мартенситное превращение. Мартенсит, образующийся непосредст­ венно во время деформирования исходной фазы, называют мартен­ ситом деформации в отличие от мартенсита охлаждения, образую­ щегося при понижении температуры.

Пластическая деформация приводит к образованию мартенсита при температурах выше точки Мп по двум причинам: во-первых, она может структурно подготовить участки исходной фазы для за­ рождения в них мартенсита и, во-вторых, она создает такие локаль­ ные поля упругих напряжений, которые облегчают образование кристаллов мартенсита. Поле упругих напряжений, созданное в ис­ ходной фазе пластической деформацией, может частично компенси­ ровать те упругие напряжения, которые неизбежно возникают при образовании зародыша мартенсита и с которыми связана свобод­ ная энергия ЛЕупр, препятствующая фазовому превращению. Энер­ гия приложенных напряжений как бы добавляется к термодинами­ ческому стимулу превращения А/%6 и мартенситное превращение становится возможным при меньших степенях переохлаждения по отношению к Т0, т. е. при более высоких температурах. Чем ближе к Т0 температура деформирования переохлажденной исходной фа­ зы, тем меньше АЕ0б (см. рис. 121) и тем больше должна быть сте­ пень деформации, вызывающей образование мартенсита. Выше не­ которой температуры Мя никакая пластическая деформация не спо­ собна вызвать мартенситное превращение во время деформации.

В железных сплавах с относительно высокой энергией дефек тов упаковки в аустените мартенсит деформации образуется по схе­

245

ме у - а, а в сплавах с низкой энергией дефектов упаковки — по схеме у —е -» а (об е-мартенсите см. § 34).

Пластическая деформация, не вызывающая образования мартен­ сита непосредственно в период деформирования, может повлиять на кинетику мартенситного превращения при последующем охлаж­ дении. Влияние такой предварительной деформации двойственное. Она способна интенсифицировать последующее мартенситное пре­ вращение, повышая температуру его начала, увеличивая скорость превращения и уменьшая количество остаточной исходной фазы. Но она же способна оказать и тормозящее влияние, снижая темпе­ ратуру начала превращения, замедляя его и увеличивая количество

начальных его стадиях. Чем выше температура деформирования и ниже предел упругости исходной фазы, тем с меньших степеней деформации проявляется механическая стабилизация.

§ 37. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ СПЛАВОВ ПРИ ЗАКАЛКЕ НА МАРТЕНСИ I

1. Упрочнение при закалке

Важнейшее явление, сопровождающее закалку на мартенсит, упрочнение, повышение твердости. Именно благодаря упрочнению и была открыта в древности, а затем широко использована закалка сталей.

Природа сильного упрочнения при закалке сталей представляла загадку на протяжении многих веков. Сейчас кажутся необычайно наивными как средневековые представления о сверхестественных силах, вызывающих упрочнение при погружении раскаленного

246

клинка в шипящую воду, так и попытки даже на рубеже XX столе­ тия связать высокую твердость закаленной стали с переходом ее углерода в алмаз.

В познании механизма упрочнения при закалке решающую роль сыграли выяснение природы самого мартенситного превращения и изучение структуры мартенсита. В общих чертах механизм упроч­ нения при закалке на мартенсит теперь вполне понятен, но многие важные его детали еще требуют выяснения.

Попытки объяснить большую твердость закаленной стали ка­ кой-либо одной причиной не нашли экспериментального подтверж­ дения. Можно уверенно утверждать, что упрочнение при закалке стали на мартенсит является результатом действия нескольких ме­ ханизмов торможения дислокаций.

Важнейшая роль во всех теориях упрочнения при закалке ста­ лей справедливо отводится углероду. Однако необходимо иметь в виду, что мартенситное превращение в чистом железе и в безуглеродистых сплавах способно привести к повышению прочностных свойств в 3—4 раза по сравнению с отожженным состоянием. Так, по сравнению с обычной ферритной структурой твердость железа в результате мартенситного превращения возрастает с 60 до 200 HV, а предел прочности — с 20 до 90 кгс/мм2. У отожженного сплава железа с 8% Сг и 0,45% Ni предел текучести равен 22 кгс/мм2, а у закаленного с 1000°С он составляет 80 кгс/мм2.

Мартенсит в отличие от фазы того же химического состава, но образовавшейся при медленном охлаждении вследствие неупоря­ доченной перестройки решетки, характеризуется повышенной плот­ ностью дефектов: двойниковых прослоек и дислокаций (см. § 35). Плотность дислокаций в мартенсите доходит до 1010—Ш12 см-2,т. е. по порядку величины такая же, как и в холоднодеформированном металле. Границы двойников и сплетения дислокаций служат барь­ ером для скользящих дислокаций, т. е. упрочняют мартенсит. Фазо­ вый наклеп, возникающий при мартенситном превращении, в той или иной степени вносит вклад в упрочнение всех металлов и спла­ вов, закаливаемых на мартенсит.

Рассмотрим роль углерода в упрочнении мартенсита сталей. При закалке сталей получается значительно большее упрочнение, чем в безуглеродистых железных сплавах, причем эффект закалки повышается с увеличением содержания углерода в аустените

(рис. 142).

Способность стали к повышению твердости при закалке назы­ вается закаливаемостью. Закаливаемость характеризуется макси­ мальной твердостью, которая может быть получена при закалке данной марки стали на поверхности изделия.

При бездиффузионном превращении аустенита образуется пере­ сыщенный раствор углерода в a-железе и тем сильнее пересыщен­ ный, чем больше углерода содержит аустенит. Интересно, что с ро­ стом содержания углерода в мартенсите межатомные силы не толь­ ко не усиливаются, а, наоборот, даже несколько ослабевают. Это обусловлено увеличением расстояний между атомами железа под

247

действием внедренных атомов углерода. В феррите при комнатной температуре среднеквадратичное отклонение атомов при тепловых

О

колебаниях равно 0,115 А, а в закаленной стали с 0,35 и 1% С соот-

О

ветственно 0,126 и 0,136 А. Увеличение средних тепловых смещений

—60°С).

Диффузионное перераспределение углерода в период закалочно­ го охлаждения или после закалки может дойти до стадии выделе­ ния из мартенсита дисперсных частиц карбида, вносящих свой вклад в упрочнение стали. В сталях с высокой точкой Ма, например в углеродистых, содержащих менее 0,5% С (А1Н>300°С, см. рис. 118), в период закалочного охлаждения в мартенситном ин­ тервале создаются наиболее благоприятные условия для частичного распада мартенсита с выделением дисперсных частиц карбидов, т. е. самоотпуска (см. § 48). Кроме того, в любых сталях углерод при обычных скоростях закалки успевает образовывать сегрегации на дефектах решетки аустенита в период охлаждения стали выше точки Мк- Сегрегации углерода в аустените наследуются мартенси­ том, а поскольку он и так пересыщен углеродом, то эти сегрегации становятся местами зарождения частиц карбида. Как отмечалось в § 33, повышение точки Мн при ускорении закалочного охлаждения (см. рис. 122) вызвано тем, что атомы углерода не успевают обра­ зовывать сегрегации на дефектах решетки аустенита. С этим со­ гласуется то, что при очень больших скоростях охлаждения твер­ дость кристаллов мартенсита оказывается почти в полтора раза ни­ же, чем после обычной закалки.

248

Из-за действия указанных выше механизмов упрочнения угле­ род оказывает столь сильное упрочняющее влияние на мартенсит, что твердость закаленной стали практически не зависит от содер­ жания легирующих элементов, растворенных в мартенсите по спо­ собу замещения, а определяется только концентрацией углерода.

Суммируя, можно заключить, что сильное упрочнение сталей при закалке на мартенсит обусловлено образованием пересыщенно­ го углеродом а-раствора, появлением большого числа двойниковых прослоек и повышением плотности дислокации при мартенситном превращении, образованием на дислокациях атмосфер из атомов углерода и выделением из а-раствора дисперсных частиц карбида.

Вклад каждого из этих факторов в общее упрочнение при закалке окончательно не установлен.

Начинающие изучать термическую обработку часто рассматри­ вают сильное упрочнение при закалке сталей как явление, исклю­ чительное по своему эффекту, по приросту твердости. Обратимся к фактам. Твердость эвтектоидной стали в отожженном состоянии составляет 180 НВ, а в закаленном 650 НВ. Следовательно, закал­ ка повышает ее твердость в 3,5 раза.

Упрочнение металлов и сплавов достигают также другими пу­ тями. При холодной пластической деформации твердость легко увеличить вдвое и даже втрое (см. § 6). Увеличивая концентрацию твердого раствора при легировании металла, особенно раствора внедрения, можно повысить твердость в несколько раз. Например, твердость раствора титана с 0,7% О в три раза больше твердости чистого титана (атомы кислорода внедрены в решетку а-титана). Сильное упрочнение достигается при дисперсионном твердении ста­ реющих сплавов. Например, старение бериллиевой бронзы при 350°С приводит к увеличению твердости в четыре раза (!) по срав­ нению с закаленным состоянием. При сопоставлении с приведен­ ными примерами эффект упрочнения при закалке сталей не вы­ глядит чем-то выдающимся, особенно если учесть одновременное действие нескольких механизмов упрочнения.

В сплавах других систем (не на основе железа) упрочнение при закалке на мартенсит может быть вызвано действием тех же меха­ низмов, что и при закалке сталей и безуглеродистых железных сплавов. Наиболее общим является механизм фазового наклепа, свойственного всем мартенситным превращениям в металлах и сплавах и состоящего в увеличении плотности дефектов кристалли­ ческой решетки. Во многих сплавах, закаливаемых на мартенсит, упрочнение происходит в результате образования пересыщенного твердого раствора. Этот фактор не может действовать в тех спла­ вах, в которых мартенсит является ненасыщенным раствором (см. § 33). В отдельных сплавах, например алюминиевых бронзах, в упрочнении мартенсита велика роль процесса упорядочения.

2. Изменение пластичности при закалке

Закалка углеродистых сталей приводит к резкому снижению всех показателей пластичности. Относительное удлинение и суже­

249