1.2. Мартенситное превращение в углеродистых сталях

В углеродистых сталях мартенсит является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α-железе. В решетке ОЦК атомы углерода занимают октаэдрические поры (центры гра­ней и середины ребер элементарных ячеек). Специфика углероди­стого мартенсита заключается в том, что атомы углерода упорядо­чение располагаются вдоль одного из направлений типа <001>, в результате чего решетка мартенсита становится тетрагональной. Из рисунка 1.19, а видно, что если атомы углерода расположены в на­правлении [001], то параметр с больше а.С увеличением содержа­ния углерода в мартенсите параметр свозрастает, а параметр асла­бо уменьшается (рисунок 1.20). Отно шение с/ахарактеризует степень тетрагональное™ решетки мартенсита. Это отношение линейно связано с концентрацией углерода в твердом растворе:

= 1 + 0,046 (% С). (1.2)

Рассмотренные в предыдущем разделе схемы перестройки ре­шетки из ГЦК в ОЦК применимы и для углеродистых сталей, ко­гда в процессе превращения из аустенита образуется мартенсит с объемно-центрированной тетрагональной решеткой (ОЦТ). Следует лишь учитывать, что при использовании схемы, предло­женной Г.В. Курдюмовым и Г. Заксом, для получения решетки ОЦТ величина сдвигов должна быть немного меньше тех, которые переводят решетку ГЦК в ОЦК.

а	б

Рисунок 1.19 Расположение атомов углерода в ячейке мартенсита. Крестиками указаны возможные положения атомов углерода

Для того, чтобы проследить, как перестройка решетки при мартенситном превращении сказывается на положении атомов уг­лерода, воспользуемся схемой Бейна (см. рисунок 1.19, б). В решетке ГЦК атомы углерода располагаются в октаэдрических порах, цен­тры которых совпадают с центрами элементарных ячеек и середи­нами их ребер. Эти позиции кристаллографически равноценны. Поэтому атомы углерода распределены по междоузлиям решетки статистически равномерно. Искажения решетки, создаваемые ато­мами углерода, также равномерно распределены вдоль кристалло­графических осей и решетка остается кубической при любой кон­центрации твердого раствора. После перестройки решетки атомы углерода будут находиться в октаэдрических порах решетки мартенсита вдоль одного из направлений типа <001>. Так, в выделен­ной в решетке ГЦК тетрагональной ячейке (см. рисунок 1.19, б) они оказываются расположенными либо в центрах горизонтальных граней, либо на серединах ребер, параллельных оси [001].

а	б

Рисунок 1.20. Зависимость периодов решетки мартенсита (а) и их соотношения (б) от содержания углерода в стали

Расчеты, проведенные К. Зинером и А.Г. Хачатуряном, пока­зали, что упругая энергия, связанная с искажениями решетки ато­мами растворенного углерода, зависит от характера распределения этого элемента по октаэдрическим порам и минимальна при упорядоченном расположении всех атомов углерода в одном из на­правлений <001>. Следовательно, упорядоченное расположение атомов углерода по междоузлиям а-решетки, возникающее в ре­зультате мартенситного превращения, является термодинамиче­ски стабильным.

В каждом кристалле мартенсита, соответствующем одной ори­ентировке (или варианту о.с. К-3), атомы углерода располагаются в направлении только одной оси <100>, совпадающей с осью де­формации Бейна. Так как при мартенситном превращении, как описывалось ранее, в зерне аустенита возможна деформация ре- щетки в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то для 24 ориентировок мартенсита, упорядочение атомов углерода произойдет по всем трем осям типа <100> аустенита, приводя к образованию тетрагональной решетки мартенсита.

Такое равновесное, полностью упорядоченное распределение атомов углерода по октаэдрическим междоузлиям наблюдается только при низких температурах. С повышением температуры подвижность атомов углерода возрастает и следует ожидать, что упорядоченное расположение углерода по междоузлиям будет нарушаться, а степень тетрагональное™ мартенсита снижаться вплоть до полного исчезновения уже при комнатной температуре. Но в действительности тетрагональность решетки мартенсита со­храняется не только при комнатной, но частично даже при более высоких температурах (в углеродистых сталях до 350 °С). Это про­тиворечие можно разрешить, если учесть, что изменение пара­метров решетки мартенсита вследствие перераспределения углеро­да по междоузлиям вызывает появление дополнительной энергии, обусловленной нарушением упругого равновесия кристалла мар­тенсита с остаточным аустенитом и соседними кристаллами мар­тенсита. Вследствие этого разупорядочение может происходить лишь до такой степени, при которой дополнительная упругая энергия не превышает энергетического выигрыша, связанного с перераспределением углерода по октаэдрическим междоузлиям и снижением тетрагональных искажений решетки.

В углеродистых сталях мартенситное превращение имеет атермический характер. Оно протекает с очень большой скоростью; его развитие происходит в широкой области температур и коли­чество образующегося мартенсита определяется степенью переох­лаждения ниже точки М_н, положение которой не зависит от скорости охлаждения в очень широком интервале скоростей.

При небольшом переохлаждении углеродистых сталей ниже М_нмартенситное превращение может получать незначительное раз­витие и в изотермических условиях. Количество образующегося при этом мартенсита обычно не превышает нескольких процен­тов, а само превращение быстро затухает. По мере удаления от М_н объем изотермического превращения уменьшается до полного ис­чезновения.

Положение М_нзависит от температуры T₀и связано прежде всего с химическим составом аустенита, который может не совпа­дать с составом стали, если при нагреве не все фазы растворены. Особенно сильное влияние на температуру начала мартенситного превращения оказывает углерод. С увеличением его содержания снижается не только точка М_н,но и М_к,т. е. весь интервал мар­тенситного превращения (рисунок 1.21, а).В низкоуглеродистых неле­гированных сталях интервал мартенситного превращения находится выше комнатной температуры. В этих сталях после окончания мартенситного превращения количество остаточного аустенита не превышает нескольких процентов. При содержании в аустените более 0,5 % углерода точка М_кстановится ниже комнатной тем­пературы. Поэтому при охлаждении высокоуглеродистых сталей до комнатной температуры мартенситное превращение не закан­чивается и в структуре наблюдается повышенное количество остаточ­ного аустенита (рисунок 1.21, б). Чтобы увеличить количество мартенсита и соответственно снизить количе­ство статочного аустенита зависят от температуры аустенитизации в соответствии с изменяющимся при этом содержанием углерода в аустените. Сравнимое с углеродом понижающее действие на точ­ку М_ноказывает и другой элемент внедрения — азот.

а	б

Рисунок 1.21. Влияние содержания углерода на температуры начала и конца мартен- ситного превращения (а) и количество остаточного аустенита при охлаждении до комнатной температуры (б) (А.П. Гуляев)

Рисунок 1.22. Влияние легирующих элементов на положение мартенситной точки М_ндля стали с 1 % углерода (В.Д. Садовский)

В сталях умеренной легированности большинство легирующих элементов снижают температуру начала мартенситного превраще­ния (рисунок 1.22). Особенно сильное воздействие оказывает марга­нец, значительно слабее влияют хром и никель. Кремний почти не оказывает влияния на точку М_н, а кобальт и алюминий ее повы­шают. Если в стали присутствуют несколько легирующих элемен­тов, то их действие на точку М_ннельзя определить простым сум­мированием, поскольку эффективность того или иною элемента зависит не только от его концентрации, но и от присутствия других элементов. При различном содержании углерода влияние ле­гирующих элементов на точку М_нтакже может быть различным. Тем не менее существует ряд эмпирических уравнений для опре­деления точки М_нв зависимости от характера легирования стали. Одно из таких уравнений для сталей, содержащих 0,2...0,8 % уг­лерода, предложено А.А. Поповым:

М_н= 520 - 320 % С - 45 % Мn- 30 % Сr- 20(%Ni+ %Mo) - 5(%Si+ % Сu). (5.4)

Расчеты по этому уравнению неплохо согласуются с экспери­ментальными данными.

Сложное воздействие на точку М_нмогут оказывать сильные карбидообразующие элементы — ванадий, ниобий и титан. При малых содержаниях они повышают точку М_н, а при больших — понижают. Повышение М_нобусловлено связыванием углерода в труднорас­творимые карбиды и снижением его содержания в аустените.

Характер влияния легирующих элементов на точки М_ни М_к может быть неодинаков, что, возможно, связано с изменением со­стояния и свойств аустенига в ходе мартенситного превращения, про­исходящим в различной степени в сталях разного состава. Но тем не менее все легирующие элементы, снижающие точку М_н, обычно спо­собствуют увеличению количества остаточного аустенита.

В углеродистых сталях тип образующихся кристаллов мартен­сита зависит от содержания углерода. В мало- и сред неуглероди­стых нелегированных сталях формируется реечный мартенсит с га­битусом {111}_γ. При содержании углерода около 0,6 %, когда точка М_нсущественно снижается, в структуре наряду с реечным появ­ляется заметное количество пластинчатого мартенсита. В интер­вале 0,6...1,0 % углерода сосуществуют два типа мартенсита, при­чем с увеличением содержания углерода происходит постепенный переход от реечного мартенсита к пластинчатому. Если при аусте- нитизапии осуществляется полный перевод углерода в аустенит, то в стали с содержанием углерода более 1,0 % при охлаждении обра­зуется только пластинчатый мартенсит. При содержании углерода, не превышающем 1,4 %, этот мартенсит имеет габитус {225}_γа при больших содержаниях углерода — {259}_γ. Когда аустенити'зация проводится при температурах, незначительно превышающих точ­ку Ас₁и часть цементита остается нерастворенной, то и в высоко­углеродистых сталях наблюдается смесь реечного и пластинчатого мартенсита.

Происходящий с увеличением содержания углерода переход от реечного к пластинчатому мартенситу, по-видимому, связан с из­менением механизма аккомодационной деформации при превра­щении. Это связано с тем, что углерод вызывает значительное упрочнение аустенита и повышает критические напряжения, обу­славливающие развитие скольжения.

Легирующие элементы, приводящие к снижению точки М_н, так же как и углерод, способствуют переходу от реечного к пла­стинчатому мартенситу. В средне- и тем более в высоколегирован­ных сталях образование заметного количества пластинчатого мартенсита (до 10...20 %) можно наблюдать уже при содержании углерода 0,3...0,4 %. В легированных сталях с 0,5...0,6 % углерода, по данным разных исследователей, количество пластинчатого мартенсита может достигать 25...50 %.

Из приведенных выше данных следует, что в промышленных углеродистых и малолегированных сталях наблюдаются в основ­ном два типа мартенсита: реечный и пластинчатый. Так как основ­ной структурной составляющей большинства конструкционных сталей, подвергаемых термической обработке на мартенситную структуру, является реечный мартенсит, то рассмотрим подробно особенности его строения.

Одной из особенностей реечного мартенсита является отсутст­вие в нем двойников превращения, другой — способность его кри­сталлов-реек группироваться в пакеты. При образовании реек вы­полняются вполне определенные ориентационные соотношения мартенсит — аустенит. Как показали исследования, в углеродистых сталях они не совпадают с ориентационными соотношениями Курдюмова—Закса или Нишиямы, а являются промежуточными между ними. Для большинства сталей плоскость (011)_αотклоня­ется на угол 1° от (111)_γ, а направления [111]_αоколо 2° от [101]_γи [011]_αна 3° от [112]_γ.

Следовательно, в среднеуглеродистых сталях реально отсутству­ет точная параллельность между плотноупакованными плоскостями и направлениями в решетках двух фаз, участвующих в превраще­нии. Предполагают, что такая особенность может быть обусловле­на минимизацией энергии упругих искажений (напряжений) в системе мартенсит —аустенит.

В пакете рейки, имеющие форму пластин, располагаются поч­ти параллельно друг другу, поэтому при металлографическом на­блюдении может создаться впечатление, что они имеют единую ориентировку. Но результаты электронно-микроскопического и рентгеноструктурного анализа показывают, что в каждом пакете присутствуют рейки шести ориентировок. При этом доля каждой ориентировки в пакете практически одинакова.

Набор ориентировок в пакете не является случайным, так как они подчиняются определенным закономерностям, связанным с механизмом превращения. Во-первых, для каждой из шести ори­ентировок мартенсита, образующих пакет, плоскость {110}_α почти точно совпадает с одной и той же плоскостью аустенита {111}_γ, входящей в ориентационное соотношение. По этой плоскости аустенита происходит так называемый первый сдвиг при мартенситном превращении, следова­тельно, для всех кристаллов мар­тенсита в пакете имеется одна и та же плоскость первого сдвига, что, по-видимому, связано с автокаталитичностью превращения. Эта плоскость {111}_γи определяет тип пакета. В аустенитном зерне су­ществуют четыре равноценных плоскости {111}_γ. Отсюда следует, что в одном аустенитном зерне могут существовать пакеты мар­тенсита только четырех типов.

Рисунок 1.23. Стандартная полюсная фигура мартенситного пакета (111)_γ, сечение (001)_γ:C_i— положение осей бейновских деформаций; S_i — положение осей сдвиговых деформаций;i= 1...6 — нумерация осей деформации; 1...6 — соответствующая им нумерация габитусных треугольников

Во-вторых, в пределах одного пакета присутствуют мартенситные кристаллы, для набора которых реализуются все возможные для зерна аустенита деформации Бейна, каждая из которых при превращении приводит к тетрагональному искажению решетки мартенсита и к анизотропному изменению объема. Как уже отме­чалось выше, перестройка решетки ГЦК аустенита в решетку ОЦК (ОЦТ) мартенсита может быть описана двумя видами деформации: бейновской и сдвиговой. Осью бейновской деформации является ось <001>_γ. Рассмотрим полюсную фигуру мартенситного пакета для сечения (001)_γ, которая представлена на рисунке 1.23. На этой фи­гуре обозначены нормали к плоскостям аустенита типа {001}_γи нормали к плоскостям типа {001}_αобразовавшихся кристаллов мартенсита. Можно видеть, что в одном квадранте полюсной фи­гуры присутствует шесть полюсов мартенсита (001)а, соответст­вующих шести мартенситным ориентировкам. Они группируются попарно (1—2, 3—4, 5—6) около каждого полюса типа {001}_γаусте­нита (угол между полюсами мартенсита и аустенита составляет около десяти градусов). Это приводит при мартенситном превра­щении к одинаковому увеличению длины вдоль трех взаимно пер­пендикулярных осей решетки, поэтому при образовании пакета бейновская деформация реализуется в трех направлениях. В ре­зультате в пределах пакета происходит квазиизотропное изменение объема, что позволяет пакету расти без особых ограничений и достигать значительных величин.

Наконец, отметим, что кристаллические решетки для ориен­тировок мартенсита 1—6, 2—3, 4—5 находятся друг относительно друга в двойниковом положении. Наличие трех пар ориентировок, находящихся в двойникованном положении, влияет на характер сдвиговой деформации в пакете при мартенситном превращении. Для каждой пары ориентировок направление сдвиговых деформа­ций имеет противоположные знаки. Следовательно, и сдвиговая деформация будет в значительной мере скомпенсирована в преде­лах одного пакета.

Таким образом, пакет является не конгломератом произвольно ориентированных мартенситных кристаллов, а своеобразным ан­самблем самосогласующихся кристаллов-реек, при образовании которого минимизируются возникающие при мартенситном пре­вращении напряжения как дилатационные, связанные с деформа­цией Бейна, так и сдвиговые. Образование пакета вместо набора произвольно расположенных кристаллов оказывается термодина­мически выгодным.

Кристаллы реечного мартенсита представляют собой тонкие пластины, которые практически полностью заполняют объем быв­шего зерна аустенита. Рассмотрим их пространственное располо­жение в пакете. Одна из возможных схем строения пакета, пред­ложенная М.А. Штремелем, приведена на рисунке 1.24. Реечные кристаллы мартенсита расположены в пакете послойно. В каждом слое располагаются кристаллы двух ориентировок, находящиеся в двойниковом положении, но не образующие один двойникован- ный кристалл. Например, первый слой образуется кристаллами с ориентировками 1—6, а над ним располагается слой, образован­ный кристаллами с ориентировками 2—3, также находящихся в двойниковом положении. Габитусная плоскость реечных кри­сталлов мартенсита отличается на небольшой угол от плоскости {111}_γпоэтому можно считать, что пластины мартенсита лежат параллельно этой плоскости. Но во втором слое они повернуты на угол 60° относительно кристаллов первого слоя. В третьем слое располагаются кристаллы с ориентировками 4—5, также развернутые на угол 60°, относительно второго слоя. Четвертый слой по­вторяет первый, пятый — второй и т. д.

Рисунок 1.24. Схема строения пакета реечного мартенсита (М.А. Штремель)

а	б

Рисунок 1.25. Строение пакета мартенсита в различных сечениях: а - сечение в плоскости (111)у, x500 (Л. Девченко); б - произвольное сечение, х500

Эта схема хорошо описывает изменение металлографически наблюдаемой структуры реечного мартенсита в зависимости от се­чения пакета. Известно, что для большинства произвольно выбран­ных сечений пакета наблюдается структура, которая состоит из на­бора тонких параллельно расположенных кристаллов (рисунок 1.25, а). В то же время в сечении, близком к плоскости {111 }_укристаллы мартенсита образуют сочленения, близкие к равносторонним тре­угольникам (рисунок 1.25, б). Легко убедиться, что при различных се­чениях пакета, представленного на рисунке 1.24, можно получить кар­тины, подобные наблюдаемым структурам.

При мартенситном превращении на месте одного монокри­стального зерна аустенита, внутри которого отсутствовали грани­цы, образуется большое количество мартенситных кристаллов, разделенных внутрифазными границами различного типа. Строе­ние границ между соседними рейками зависит от их ориентации. В пределах пакета можно рассчитать и измерить величину угла ра- зориентировки между любыми кристаллами мартенсита и описать тип границ между этими кристаллами. Эти границы могут быть малоугловыми, близкими к двойниковым, и большеугловыми.

Методами рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии в реечном мартенсите обнаружен остаточный аусте- нит, который располагается по границам реек и пакетов в виде тон­ких прослоек толщиной 10...50 нм. Обнаружить эти прослойки в оп­тическом микроскопе не удается. Их расположение можно надежно наблюдать лишь при электронно-микроскопическом исследовании, когда съемка на просвет ведется в рефлексах остаточного аустенита (рисунок 1.23). Его существование в мало- и среднеуглеродистых сталях связано не с понижением точки М_книже комнатной температуры, а возникновением при мартенситном превращении больших сжи­мающих напряжений, стабилизирующих остаточный аустенит.

В сталях с содержанием углерода 0,6 % и более, как уже отме­чалось ранее, образуется пластинчатый мартенсит. Его кристаллы группируются в ансамбли иного типа и по иным закономерно­стям, чем пакеты реечного мартенсита. Как правило, объем аусте- нитного зерна при этом лишь частично заполняется кристаллами мартенсита, поэтому в структуре стали содержится значительное количество остаточного аустенита, который можно наблюдать и металлографически (см. рисунок 1.11).