Мартенситное превращение.

При больших степенях переохлаждения возрастает термодинамическая неустойчивость аустенита, а скорость диффузии углерода резко падает. При переохлаждении аустенита в эвтектоидной стали до 240⁰С происходит бездиффузионное или, как его называют, мартенситное превращение аустенита. При этом меняется лишь тип решетки γ → α, а весь углерод, ранее растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита несмотря на то, что равновесная концентрация углерода в феррите не превышает 0,006 % при комнатной температуре. В результате образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе, который называется мартенситом. Из-за пересыщенности углеродом решетка мартенсита сильно искажена и вместо кубической приобретает тетрагональную форму, элементарной ячейкой которой является прямоугольный параллелепипед. Атомы углерода в такой ячейке располагаются в междуузлиях, в центре основания или в середине удлиненных ребер (рис. 9.1). Чем больше углерода, тем выше степень тетрагональности (отношения с/а) мартенсита.

Мартенсит имеет высокую твердость (до 600HV), прочность и хрупкость. Это обусловлено искажениями кристаллической решетки и соответственно большими внутренними напряжениями, определяемыми растворенным углеродом, а также возникновением фазового наклепа вследствие увеличения объема при превращении аустенита в мартенсит. Кстати, увеличение удельного объема при образовании мартенсита является одной из основных причин возникновения при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию и коробление изделий, а также появление закалочных трещин.

 

Рис. 9.1 Тетрагональная кристаллическая ячейка мартенсита

Значения твердости и прочности возрастают с увеличением содержания углерода в мартенсите. Временное сопротивление низкоуглеродистого мартенсита (0,025 % С) составляет 1000 МПа, а мартенсит с содержанием 0,6 — 0,7 % С имеет временное сопротивление 2600 — 2700 МПа. Однако с повышением в мартенсите содержания углерода возрастает и его склонность к хрупкому разрушению. Мартенсит, содержащий более 0,35 — 0,4 % С, имеет низкое сопротивление зарождению и распространению трещины, а также низкие значения вязкости разрушения К_1с.

Размеры кристаллов мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита. Они тем крупнее, чем больше зерно аустенита.

Мартенситное превращение идет в интервале температур начала и конца мартенситного превращения М_н и М_к. Положение точек М_н и М_к не звисит от скорости охлаждения, но зависит от содержания углерода в стали (рис 9.2).

Рис. 9.2 Влияние содержания углерода в стали на температуру начала М_н и конца М_к мартенситного превращения

Для эвтектоидной стали оно начинается при 240 и заканчивается при -50⁰С.

Все легирующие элементы, растворенные в аустените, за исключением кобальта и алюминия, понижают точки М_н и М_к.

Кристаллы мартенсита в зависимости от состава сплава, а следовательно, в зависимости от температуры своего образования, могут иметь различную морфологию и субструктуру. Различают два вида мартенсита: пластинчатый (игольчатый) и пакетный (реечный) (рис. 9.3).

Рис. 9.3 Схема образования пластинчатого (игольчатого) (а) и пакетного (реечного) (б) мартенсита

Пластинчатый мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях, имеющих низкие значения М_н и М_к (рис. 9.2). Сами кристаллы мартенсита в этом случае представляют собой широкие пластины, которые в плоскости шлифа имеют вид игл (рис. 9.3, а).

Пакетный (реечный) мартенсит характерен для низко- и среднеуглеродистых, а также конструкционных легированных сталей. В этом случае кристаллы мартенсита имеют форму тонких реек, вытянутых в одном направлении (рис. 9.3, б) и объединенных в пакеты.

К особенностям мартенситного превращения относится то, что оно происходит только при непрерывном охлаждении. Задержка охлаждения при температуре выше температуры конца мартенситного превращения приводит к стабилизации аустенита. Аустенит становится более устойчивым. При последующем охлаждении его превращение затруднено и протекает с меньшей интенсивностью и полнотой. Наличие остаточного аустенита нежелательно, так как это приводит к неоднородности свойств.

Таким образом, особенностями мартенситного превращения являются:

- его бездиффузионный характер;

- ориентированность кристаллов;

- образование при непрерывном охлаждении в интервале температур М_н— М_к.