Факторы влияющие на точку Мн
Для начала мартенситного превращения необходимо несколько переохладить аустенит ниже температуры метастабильного равновесия его с мартенситом. Это объясняется тем что оно сопровождается большими упругими напряжениями из-за разницы удельного объема и когерентности границ. Для компенсации упругой энергии необходимо значительное переохлаждение.
│ΔFобр│>│ΔFупр│
В системе Fe – C разность температур То – Мн ≈ 200-250о с.
Температура Мн зависит прежде всего от состава стали: содержания углерода. Такое влияние углерода имеет практическое значение. Любая сталь с содержанием углерода выше 4% не закаляется. Но для данной марки стали температура начала мартенситного превращения будет постоянной в широком диапазоне температур.
При большом увеличении скорости охлаждения выше 600о точка Мн начинает подниматься, и при скорости выше 6000о остается постоянной.
При охлаждении с обычными скоростями закалки, углерод, обладающий высокой диффузионной подвижностью, успевает создать сегрегации равновесного состава на дефектах кристаллической решетки. При скорости охлаждения выше 600о с сегрегации образуются меньшего размера, а при скорости охлаждения выше 6000о они не успевают сформироваться. Отсутствие сегрегаций позволяет аустениту превратится в мартенсит при более высокой температуре – однако твердость мартенсита будет ниже.
Механизм сдвигового превращения
Сдвиговое превращение – бездиффузионное. При сдвиговом механизме происходит упорядоченное, кооперативное, взаимосвязанное перемещение групп атомов на расстояние меньшее межатомного, без обмена атомов местами, так что соседи атомов в исходной фазе остаются его соседями и в новой фазе. Во время мартенситного превращения границы являются когерентными. Из этого определения следует, что атомы остаются соседями не только в исходной и новой фазе, но и на границе. Это говорит о когерентности решеток новой и старой фаз. При наличии когерентности перестройка групп атомов из одной решетки в другую может происходить очень быстро, так как не требуется диффузионного перемещения атомов. Граница скользит – это объясняет быстрый рост кристаллов мартенсита. По мере роста мартенситного кристалла происходит нарастание упругих напряжений на границе. Когда упругие напряжения превышают модуль упругих напряжений, происходит срыв когерентности, граница скользить не может. Дальнейший рост возможен при протекании диффузионных процессов.
Превращение в твердом растворе также предусматривает отсутствие обмена атомов местами. Из этого следует, что атомы растворенного элемента в новой фазе будут находиться в тех же местах, то есть новая и старая фаза будут иметь одинаковый состав.
Кристаллогеометрия мартенситного превращения
Аустенит имеет гранецентрированную решетку. Атомы углерода, растворенного в железе по способу внедрения, статически равномерно занимают часть октаэдрических пустот г.ц.к. решетки.
В г.ц.к. решетке аустенита можно мысленно выделить не только кубическую, но и тетрагональную элементарную ячейку. В этой тетрагональной ячейке аустенита отношение периодов с/а =√2, в то время как у решетки мартенсита экспериментально установленная степень тетрагональности (с/а) < 1,09. Деформация Бейна, простейшим способом превращающая решетку аустенита в решетку мартенсита, состоит в сжатии тетрагональной ячейки аустенита вдоль ее оси с и одновременном увеличении размеров вдоль осей а.
Атомы углерода в мартенситной тетрагональной ячейке расположены в направлении параллельном какой-то кристаллографической оси.
Подвижность атомов углерода даже при комнатной температуре достаточна, чтобы по окончании превращения они смогли перераспределится и занять ближайшие свободные октаэдрические пустоты. Однако благодаря деформации Бейна и деформационному взаимодействию между атомами железа и углерода тетрагональная решетка мартенсита устойчива к распаду аустенита.
Плоскости, по которым разделяются мартенситные и аустенитные фазы, называются плоскостями габитуса. Во время мартенситного превращения плоскости габитуса остаются микроскопически неизменными, они не меняют форму – инвариантность габитуса. Основные площади габитуса, определенные экспериментально, зависят от состава стали и от температуры превращения. В сталях с содержание углерода 0,4-1,4% плоскости габитуса {2;2;5} 1,4-1,8 {2;5;9}. Если температура мартенситного превращения ниже 50о с {2;2;5}, выше 150о {2;5;9}. Неизменность габитуса обеспечивается одновременной деформацией в ячейке и пластической деформацией всего превращаемого объема – аккомодирующая деформация.