Термист Термомеханическое упрочнение арматурного проката технология, средства, разработка

Мартенситное превращение

Из учебника А.П.Гуляева "Металловедение"

Продолжение (<< См. начало <<   << См. предыдущую <<)

Образование различных структурных типов мартенсита определяется прежде всего температурой его формирования, зависящей от состава сплава и ряда других факторов. Необходимо учитывать, что, если интервал (М_н - М_к) широк, то в структуре присутствуют различные типы кристаллов мартенсита, образовавшиеся при различной температуре. При более высокой температуре, когда прочность аустенита низка, образуется дислокационный (реечный) мартенсит. С понижением температуры доля реечного мартенсита уменьшается и возрастает доля двойникового (пластинчатого) мартенсита (рис. 206), что указывает на тесную связь между мартенситным превращением и способностью аустенита к пластической деформации. Известно, что при высокой температуре пластическая деформация аустенита происходит путем сдвигов, а при низкой - двойникованием. Наличие напряжений II рода (между различно ориентированными кристаллами) для реализации превращения показывает тот факт, что в монокристальных аустенитных порошках мартенситное превращение не идет, тогда как в поликристальных образцах того же состава происходит мартенситное превращение.

Рис. 206. Влияние содержания углерода на относительное количество реечного мартенсита, температуру Мн и количество остаточного аустенита

Все же при некоторых общих чертах мартенситного превращения с другими оно (и в первую очередь образование двойникового мартенсита) имеет отличительные особенности:
1) процесс термически не активируемый и протекает с такой же высокой степенью активности как при комнатной температуре, так и вблизи абсолютного нуля (4,2 К);
2) наличие напряжении необходимо, чтобы вызвать мартенситное превращение.

Мартенсит с гексагональной решеткой (ε-мартенсит) в марганцевых и ряде других сплавов и сталях с низкой энергией дефектов упаковки образуется в форме пластин различной ширины, содержащей большое количество дефектов упаковки и дислокаций (рис. 207).

Рис. 207. Мартенсит с г.п.у. решеткой (ε-мартенсит) в марганцевых сплавах: а - световая микроскопия, × 400: б - просвечивающая электронная микроскопия, × 20 000

Строение мартенситных кристаллов цветных сплавов принципиально не отличается от такового для железных. Преимущественно наблюдается пластинчатый мартенсит, содержащий тонкие двойники, а также в ряде случаев дефекты упаковки.

Мартенсит, образующийся под действием деформации аустенита, отличается от мартенсита, образующегося только под действием охлаждения в том же сплаве, более развитой дислокационной структурой и меньшей толщиной кристаллов.

Наиболее просто и наглядно кристаллогеометрию мартенситного превращения
в стали можно описать схемой Бейна (рис. 208). Для этого в двух соседних элементарных г.ц.к. ячейках аустенита надо выделить тетрагональную ячейку с о.ц.т. решеткой с отношением c/a = √2 и, чтобы получить решетку мартенсита, сжать выделенную ячейку вдоль оси [001] примерно на 20 % и растянуть вдоль осей [010] и [100] на 12 %. Такая однородная деформация решетки называется бейновской. Точные значения деформаций зависят от содержания в стали углерода, т.е. от величины тетрагональности решетки мартенсита (в углеродистых сталях максимальная величина c/a ≈ 1.08). При деформации Бейна все атомы углерода в решетке аустенита оказываются в междоузлиях (они называются октаэдрическими, так как находятся в окружении шести атомов железа) по оси [001] решетки мартенсита, вызывая ее тетрагональное искажение. Однако деформация Бейна является, по-видимому, только наглядной схемой, в действительности движения атомов при мартенситном превращении более сложные. Об этом свидетельствуют, в частности, наблюдаемые ориентационные соотношения между решетками аустенита и мартенсита. По существующей теории бейновскую деформацию надо дополнять еще одной - дополнительной, которая осуществляется или двойникованием, или дислокационным скольжением. В этом случае получаются наблюдаемые ориентационные соотношения и становится понятным наличие в кристаллах мартенсита двойников и дислокаций. Описанный кристаллографический механизм приводит в макромасштабах к изменению формы превращенных объемов и образованию поверхностного рельефа. Для других кристаллографических перестроек при мартенситных превращениях (например, г.ц.к. - г.п.у. или о.ц.к. - ромбическая решетка) в железных и цветных сплавах также разработаны соответствующие кристаллогеометрические схемы.

Рис. 208. Схема Бейна: а - сдвоенная г.ц.к. решетка аустенита (показаны не все атомы железа; атомы углерода находятся в октаэдрических междуузлиях); б - выделенная о.ц.т. решетка с c/a = √2; в - о.ц.т. решетка мартенсита с c/a = 1.08 (атомы углерода занимают только октаэдрические междоузлия по оси c || [001])

Мартенситное превращение, как и любое другое фазовое превращение, подчиняется термодинамическим закономерностям и, в частности, тому факту, что термодинамически более устойчивой (стабильной) является фаза с меньшей свободной энергией. Согласно схеме на рис. 173 мартенсит при всех температурах имеет большую свободную энергию, чем перлит. Однако надо учесть, что перлит является равновесной фазой, образующейся при медленном охлаждении аустенита, а мартенсит - неравновесной (метастабильной) фазой, которая отсутствует на диаграмме состояния сплавов Fe - C и образуется только при быстром охлаждении (когда диффузионный распад аустенита подавлен) до температур T < T₀, т.е. когда мартенсит имеет меньшую свободную энергию, чем аустенит. Мартенситное превращение начинается не при температуре T₀ когда равны свободные энергии аустенита и мартенсита, а при более низкой температуре М_н, т. е. для образования мартенсита необходимо переохлаждение ΔT = T₀ - М_н. Это переохлаждение нужно для запаса химической свободной энергии ΔF. Это переохлаждение нужно и для запаса свободной энергии и для накопления внутренних напряжений. Поэтому начало мартенситных превращений наблюдается примерно на 200 °С ниже температуры равновесия аустенит - мартенсит T₀ (рис. 209, а). В интервале от  T₀ до М_н превращение можно вызвать пластической деформацией, поэтому точки  T₀ и M_D совпадают. Выше точки  T₀ (М_D) пластическая деформация протекает обычным способом (сдвигом или двойникованием), не вызывая образования мартенсита, что энергетически невыгодно системе.

При нагреве выше  T₀ свободная энергия мартенсита становится больше свободной энергии аустенита (см. рис. 178) и возможно обратное превращение мартенсита в аустенит. Как и для прямого, так и для обратного превращения необходим температурный гистерезис А_н - T₀ (рис. 209), т.е. превращение начинается после определенного перегрева при температуре А_н и заканчивается при температуре А_к. Как и при прямом превращении, температурный гистерезис при обратном превращении обусловлен наличием упругой и поверхностной энергии, препятствующей образованию новой фазы (в данном случае аустенита). Обратное превращение протекает по такому же сдвиговому механизму, как и прямое, и имеет характерные его черты: бездиффузионность, образование рельефа и т.д. В сталях обратное превращение не имеет места, так как из-за высокой подвижности атомов углерода в твердом растворе внедрения еще до достижения температуры А_н успевают произойти процессы диффузионного распада мартенсита (отпуск) с образованием равновесных фаз - карбида и феррита. Поэтому обратное превращение наблюдается только в безуглеродистых высоколегированных сплавах, например в системе Fe - Ni (см. рис. 209); оно также типично для мартенситных превращений в цветных сплавах.

Рис. 209. Температуры прямого (Мн - Мк) и обратного (Ан - Ак) превращений: а - схема; б - температуры Мн и Ан в системе Fe - Ni

>> Читать дальше >>

Использована публикация:
Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для втузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
стр. 233 - 238.

К началу страницы

Web-сайт “Термист” (termist.com)
Термомеханическое упрочнение арматурного проката

Отсутствие ссылки на использованный материал является нарушением заповеди "Не укради"

Редактор сайта: Гунькин И.А. (termist.com@gmail.com)