Мартенситное превращение

Если образец стали, нагретый выше температуры точки А₁ охладить со скоростью v ≥ v_к (примерно 150...180 °С/с), то кристаллическая решетка Fе_у, будучи неустойчивой при такой степени переохлаждения, перестраивается в решетку Fе_a без выделения углерода. Процесс перестройки решетки протекает практически мгновенно (за 10^-7 с). В результате получается твердый раствор внедрения избыточного углерода в Fе_а (с той же концентрацией углерода, что и в аустените), называемый мартенситом.

Следовательно, мартенситное превращение, в отличие от перлитного, имеет бездиффузионный характер. Поскольку в кри­сталлической решетке Fе_a остается избыточный углерод, она искажается, т. е. кубическая кристаллическая решетка мар­тенсита, в отличие от кристаллической решетки феррита, имеет некоторую тетрагональность (с/а = 1,0 ... 1,08). Это зависит от содержания углерода в стали. Для эвтектоидной стали с/а== =2,960/2,845=1,04.

Вследствие искажения кристаллической решётки мартенсит обладает высокой твёрдостью и низкой пластичностью. Твёрдость мартенсита возрастает с увеличением в стали содержа­ния углерода. Для эвтектоидной стали твердость мартенсита равна НВ 650.

Рис. 9.3. Микроструктура эвтектоидной стали в зависимости от. температуры превра­щения аустенита (Х1000):

а—перлит; б—сорбит, в — троостит, г—бейнит, д—мартенсит

При мартенситном превращении получается микроструктура крупно- или мелкоигольчатого мартенсита (см. рис.- 9.3, д). Структура мартенсита представляет собой пластины в виде игл, ориентированных относительно старой фазы аустенита па­раллельно или под определенными углами.

Мартенсит по сравнению с аустенитом имеет больший удельный объем. Увеличение удельного объема при образовании мартенсита является одной из основных причин возникновения при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин.

Существует несколько теорий, объясняющих механизм мартенситного превращения. По одной из них для мартенситного превращения существенное значение имеют термические напря­жения, возникающие при охлаждении и вызывающие местную сдвиговую пластическую деформацию. При температуре начала мартенситного превращения Мн происходит пластический мик­росдвиг, заключающийся в смещении атомов в решетке Fе_y, и перестройке ее в решетку Fе_а (С) в плоскости сдвига и примы­кающих к ней областях. В этом случае по обе стороны от пло­скости сдвига атомы железа получают дополнительную кине­тическую энергию для бездиффузионной перестройки кристал­лических решеток.

Рис. 9.4. Диаграмма изотермического превра­щения аустенита в зависимости от темпера­туры переохлаждения;

/—перлитное превращение; //— бейнитное (промежуточное превращение); /// — мартенситное превращение.

При непрерывном охлаждении ниже температуры Мн накап­ливаются новые термические напряжения, которые вызывают дополнительные микросдвиги и процесс мартенситного превра­щения продолжается. Размеры кристаллов мартенсита опреде­ляются размерами исходных зерен аустенита. Первые кристаллы мартенсита имеют протяженность, равную поперечному раз­меру зерен аустенита и ориентированы друг относительно друга под углом 60 или 120°. Последующие кристаллы мартенсита стеснены в своем развитии и имеют значительно меньшие раз­меры.

По мере образования новых игл мартенсита количество аустенита уменьшается. Однако при обычных, температурах аустенит полностью в мартенсит не превращается и некоторое его количество остается.

Количество остаточного аустенита зависит от содержания углерода в стали и колеблется от 2…3% для стали с содержанием 0,5%С, до 25…30% для стали с содержанием 1,5…1,6%С. В закаленной эвтектоидной стали после мартенсит­ного превращения содержится обычно 5...6% остаточного аустенита. Последний, как более мягкая составляющая, снижает твердость закаленной стали.

Окончание процесса мартенситного превращения при непрерывном охлаждении стали достигается при температуре Мк (см. рис. 9.4). Интервал температур мартенситного превращения Мн…Мк зависит главным образом от состава стали:

Содержание углерода, % 0,2 0,4

Интервал температур, Мн-Мк 400 ... 300 330….100

Содержание углерода, % 0,5 0,8 1,2

Интервал температур Мн-Мк 300 ... 0 240 ... (-80) 180 ... (-100)

Следовательно, для углеродистых сталей, содержащих 0,5 % С и более, мартенситное превращение не заканчивается при охлаждении до комнатной температуре.

Ряд легирующих элементов (Мn, Ni, Сг и др.) способст­вуют снижению температуры начала мартенситного превращения ниже 0^оС и при комнатной температуре можно получить структуру переохлаждённого аустенита. Скорость охлаждения (или степень переохлаждения), оказывая влияние на скорость протекания мартенситного превращения, не влияет на темпера­туру начала и конца этого превращения.