Термист Термомеханическое упрочнение арматурного проката технология, средства, разработка

Мартенситное превращение

Из учебника А.П.Гуляева "Металловедение"

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

Чтобы понять, почему останавливается рост мартенситного кристалла, надо принять во внимание, что границы между двумя фазами (например между аустенитом и мартенситом) могут быть когерентными, полукогерентными и некогерентными (рис. 216). На когерентной границе решетка одной фазы непосредственно, плавно переходит в решетку другой фазы. Из-за разного удельного объема фаз (превращение А → М характерно увеличением удельного объема стали примерно на 1 %, и эта величина растет с увеличением содержания углерода) и соответственно различающихся параметров решеток фаз, на их границе возникают упругие деформации. При увеличении размера кристаллов новой фазы может наступить момент, когда энергетически становится выгодным компенсировать разный параметр решеток фаз не полями упругих деформаций, а образованием дислокаций, снижающих эту упругую деформацию; в промежутках между дислокациями когерентность не нарушена - образуется полукогерентная граница. Наконец, возможна такая ситуация (как правило, при большом несоответствии параметров решеток фаз и большом размере кристаллов образующейся фазы), когда когерентность полностью нарушается по всей межфазной границе, которая имеет очень сложное дефектное строение.

Рис. 216. Схемы строения когерентной (а), полукогерентной (б) и некогерентной (в) границ (штриховыми линиями показана межфазная граница)

В теории мартенситного превращения считается, что бездиффузионность и кооперативный характер смещения атомов при превращении ответственны за когерентность решеток аустенита и мартенсита на первых стадиях процесса и приводит к огромной скорости движения когерентной межфазной границы, т.е. росту мартенситного кристалла. Однако этот рост приводит к накоплению упругой деформации на когерентной границе и к последующему нарушению (срыву) когерентности. Рост кристалла мартенсита прекращается и превращение развивается за счет образования новых кристаллов.

Представление о когерентном росте кристаллов мартенсита лежит в основе термоупругого мартенситного превращения (эффект Курдюмова - Хандроса), наблюдаемого в ряде сплавов (Cu - Al, Fe - Pt, Au - Cd и др.): понижение температуры ведет к постепенному росту мартенситных кристаллов, а повышение к их исчезновению. Эффект объясняется возможностью при определенных условиях прекращения роста кристаллов до нарушения когерентности, когда быстро увеличивающаяся при образовании мартенситных кристаллов упругая энергия ΔF_упр становится больше выигрыша химической свободной энергии при охлаждении: ΔF_упр > ΔF. В этом случае рост кристаллов прекращается. Превращение возобновляется только при дальнейшем охлаждении, когда ΔF > ΔF_упр. При последующем отогреве ΔF уменьшается и кристалл постепенно уменьшается в размерах за счет сохранения когерентности решеток; далее он может полностью исчезнуть, т.е. произойдет обратное превращение.

Эффект Курдюмова - Хандроса лежит в основе эффекта запоминания формы, который заключается в том, что образцу, имеющему характерную форму при повышенной температуре, придают с помощью деформации при более низкой температуре (ниже или в районе М_н) другую форму а после отогрева в область обратного превращения исходная характерная форма восстанавливается.

Этот эффект типичен для сплавов, обладающих термоупругим мартенситным превращением, малой величиной температурного интервала М_н - А_н, полностью двойникованными кристаллами мартенсита и наличием атомного упорядочения в исходной высокотемпературной фазе. В этих условиях при деформации образуются когерентные с матрицей двойниковые мартенситные кристаллы с преимущественной кристаллографической ориентировкой, а при обратном превращении (при отогреве) мартенситные кристаллы, образовавшиеся при деформации, исчезают и обратимое движение когерентных межфазных границ при обратном превращении приводит к восстановлению первоначальной формы. В первом приближении можно считать, что атомные перемещения в сплавах, обладающих эффектом запоминания формы протекают при обратном превращении по тем же путям, что и при прямом, но в противоположном (обратном) направлении. Эффект наиболее четко выражен в сплавах Ni - Ti, Cu - Al - Ni, Ag - Cd и находит применение в технике.

Нерешенным вопросом в теории мартенситного превращения остается вопрос: как происходит зарождение кристаллов мартенсита и что представляют собой зародыши?

Теория напряжений объясняет образование мартенсита следующим образом: сдвиг, двойникование выводит из равновесного положения атомы, которые затем становятся в систему уже более устойчивую при данной температуре (γ → α). В этом случае зародышами мартенсита являются дислокации, границы двойников.

Считают, что мартенситные кристаллы зарождаются гетерогенно, т.е. на дефектах кристаллической решетки аустенита.

Атермическое мартенситное превращение возникает как результат усиления амплитуд определенных колебании кристаллической решетки аустенита, которые стремятся перестроить кристаллическую решетку аустенита в решетку мартенсита. При определенных условиях (в частности, достижения необходимой движущей силы превращения) кристаллическая решетка аустенита становится полностью неустойчива к самым незначительным сдвигам и без преодоления энергетического барьера превращается в решетку мартенсита. Поля упругих деформаций вблизи дефектов решетки аустенита приводят к уменьшению устойчивости решетки аустенита и дефекты могут рассматриваться как места, подготовленные для зарождения кристаллов мартенсита, так как вблизи них энергетический барьер исчезает в первую очередь.

Зарождение при изотермическом мартенситном превращении также происходит на дефектах решетки - прежде всего на дислокациях. Однако в отличие от атермического мартенситного превращения, оно протекает путем преодоления определенного энергетического барьера. В общих чертах процесс изотермического мартенситного превращения аналогичен термически активируемому процессу движения дислокаций. Отсюда становится понятным сходство в структуре изотермического мартенсита и мартенсита деформации и даже с линиями Чернова - Людерса.

В ряде случаев большую роль в зарождении мартенсита могут играть дефекты упаковки. Например, при образовании гексагонального ε-мартенсита дефекты упаковки являются зародышами мартенсита и процесс образования мартенсита сводится к увеличению их плотности и последующему слиянию.

Использована публикация:
Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для втузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
стр. 242 - 244.

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)