3.1.3. Мартенситное превращение

В доэвтектоидных сталях при температуре ниже Агъ превращение аусте­нита начинается с выделения феррита, а в заэвтектоидных - вторич­ного цементита. Начало выделения избыточного феррита (вторичного цементита) на диаграмме характеризуется добавочной штриховой ли­нией.

Мартенситное превращение - это превращение переохлажденно­го аустенита, происходящее при его охлаждении в интервале темпера­тур от Мн до Мк (рис. 3.6, б), где МИ -- температура начала и Мк - тем­пература конца мартенситного превращения.

При этих температурах диффузионные процессы становятся не­возможными и перестройка решетки FeT (ГЦК) в решетку Fea (ОЦК) происходит по сдвиговому механизму без выхода атомов углерода из решетки. При этом атомы смещаются на расстояния, не превышаю­щие межатомные, сохраняя первоначальное соседство. Образуется перенасыщенный твердый раствор внедрения углерода в а-железе, называемый мартенситом. Растворимость углерода в мартенсите мо­жет достигать 2,14 %, в то время как в a-железе при 727 °С в равно­весном состоянии растворяется не более 0,02 % углерода. Главные особенности мартенсита - высокая твердость и прочность. Твердость мартенсита тем выше, чем больше содержание в нем углерода.

Атомы углерода, внедряясь в решетку a-железа, сильно ее искажают. Такую искаженную кристаллическую решетку называют тетраго­нальной (рис. 3.6, а), в ней параметр с больше а, следовательно, отно­шение с/а > 1. При увеличении содержания углерода степень тетраго-нальности решетки мартенсита увеличивается.

Как уже отмечалось, мартенситное превращение начинается при температуре Мн и продолжается в некотором интервале температур при непрерывном охлаждении. Если охлаждение прекращается, пре­кращается и превращение. Этим оно отличается от перлитного, идуще­го при постоянной температуре. Чтобы мартенситное превращение завершилось полностью, необходимо непрерывно охлаждать сталь до температуры Мк. Положение точек Ми и Мк не зависит от скорости ох­лаждения и определяется химическим составом аустёнита (рис. 3.6, б).

Рис. 3.6. Мартенситное превращение:

а - механизм превращения и строение кристаллической решетки; б- влия­ние содержания углерода на положение мартенситных точек; в - микро­структура крупноигольчатого мартенсита и остаточного аустёнита в стали с 1,6 % С (вверху) и мелкоигольчатого мартенсита в стали с 0,5 % С (внизу)

Чем больше в стали углерода, тем ниже температура начала и конца мартенситного превращения. При содержании в сталях более 0,6 % уг­лерода превращение завершается при температурах ниже нуля. Если такие стали охлаждать до 0 °С, то это приводит к сохранению некото­рого количества непревращенного (остаточного) аустёнита (А^); Уве­личение содержания углерода в стали ведет к росту Аост - в структуре высокоуглеродистых сталей после их закалки в воде сохраняется зна­чительное количество остаточного аустёнита, что уменьшает твердость стали.

По морфологии мартенсит разделяют на пластинчатый и реечный. Пластинчатый мартенсит состоит из широких и тонких пластин, которые на шлифе имеют вид игл, расположенных параллельно друг другу или под углом (рис. 3.6, в). Он характерен для высокоуглероди­стых сталей. Чем мельче зерна исходного аустёнита, тем мельче пла­стины мартенсита, образующиеся из него. Реечный мартенсит наблю­дается в закаленных низко- и среднеуглеродистых сталях. Кристаллы такого мартенсита имеют вид тонких реек, собранных в пакеты. В од­ном зерне аустёнита может быть несколько таких пакетов.

Превращение аустёнита в мартенсит связано с изменением объе­ма. Все структуры стали можно расположить в ряд по мере увеличе­ния объема: аустенит -» перлит -» сорбит -> троостит -» мартенсит.

Промежуточное превращение переохлажденного аустёнита про­текает в температурной области между перлитным и мартенситным превращениями с образованием структуры, называемой бейнитом (см. рис. 3.5, г, д). Бейнит состоит из перенасыщенного твердого рас­твора углерода в Fea и цементита. Различают верхний и нижний бей-нит. Верхний бейнит образуется в интервале температур 550...350 °С и имеет строение, напоминающее строение перлита. Нижний бейнит образуется обычно в интервале температур от 350 °С до точки Ма и имеет игольчатое строение, похожее на строение мартенсита.

Бейнитное превращение начинается с диффузионного перерас­пределения углерода в аустените. При этом в обедненных углеродом зернах аустёнита инициируется мартенситное бездиффузионное пре­вращение, так как для этих зон повышается температура начала мар­тенситного превращения (Мн). В объемах аустёнита, обогащенного углеродом, выделяются частицы карбидов (цементита), соседствую­щие с зонами зерен, в которых происходит мартенситное превраще­ние. Мартенситные кристаллы перенасыщены углеродом, что в со­четании с высокой температурой и благоприятными условиями для протекания диффузионных процессов создает условия для распада мартенсита и образования карбидов.

В верхнем бейните диффузия идет быстрее, и цементит в основ­ном выделяется из аустёнита, в нижнем бейните - из мартенсита. Верхний бейнит имеет твердость и прочность примерно такую же, как у троостита, но более низкую пластичность. Снижение пластичности связано с выделением сравнительно грубых карбидов по границам ферритных зерен. Нижний бейнит имеет высокую твердость и проч­ность при сохранении высокой пластичности.