Мартенситное превращение в стали

В околошовной зоне сварных соединений легированных сталей часто наблюдается структура мартенсит (твердый пересыщенный раствор внедрения C в α-Fe), который является также основной структурой закаленной стали. Характерной особенностью мартенсита является высокая твердость и прочность (63-65 НRС), наибольший удельный объем, склонность к хрупкому разрушению.

В основе механизма лежат два процесса: зарождение и рост мартенситных кристаллов. Эти два процесса протекают за очень короткое время (υ март.превращения = 10ˉ⁶С - время образования одного кристалла). Мартенситное превращение происходит только в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлажден до низких температур, при которых диффузионные процессыстановятся невозможными. Превращение носит бездиффузионный характер, т.е. оно не сопровождается диффузионным перераспределением атомов углерода и железа в решетке аустенита.

Мартенситное превращение осуществляется путем сдвига и не сопровождается изменением состава твердого раствора. Отдельные атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные, сохраняя взаимное соседство, однако величина абсолютного смещения растет пропорционально удалению от межфазной границы. В процессе превращения кристаллымартенсита сопряжены с аустенитом по определенным кристаллографическим плоскостям, и межфазная граница не образуется. При нарушении когерентности решеток упорядоченный переход атомов из аустенита в мартенсит становится невозможным, и рост кристалла мартенсита прекращается.

Кинетика мартенситного превращения. Мартенситное превращение в общем случае не удается подавить быстрым охлаждением. Превращение начинается сразу при температуреМ_н и протекает не в изотермических условиях, а в интервале температур. При переохлаждении до температуры, соответствующей точке М_к, аустенит начинает превращаться в мартенсит. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже температуры М_н. Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение практически также остановится. Количество образовавшегося мартенсита в зависимости от температуры, до которой охлажден образец, может быть выражено мартенситной кривой (рис.2.1). Чем ниже температура, тем больше образуется мартенсита.

Рис. 2.1 – Мартенситная кривая для низкоуглеродистой (а) и высокоуглеродистой (б) стали (А_ост – остаточный аустенит)

При достижении определенной температуры превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эта температура окончания мартенситного превращения обозначается M_к Положение точекМ_н и М_к не зависит от скорости охлаждения и обусловлено химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже температура точекМ_н иМ_к.

Мартенситное превращение не протекает до конца, поэтому в закаленных сталях, имеющих точку М_к ниже 20°С, а именно в углеродистых сталях, содержащих свыше 0,4-0,5% С, присутствует остаточный аустенит. Его количество тем больше, чем ниже температура точекМ_н и М_к, т. е. чем выше содержание в аустените углерода и легирующих элементов (за исключением Со и Аl).

По кинетике мартенситные превращения делятся на 3 типа:

1.Атермическое (массивное) характеризуется тем, что развивается плавно, непрерывно, монотонно.

2.Изотермическое (при постоянной температуре) протекает при изотермических условиях внутри температурного интервала М_н - М_к.

3.Взрывное превращение – характеризуется мгновенным образованием большой порции мартенсита.

Различают два типа мартенсита - пластинчатый и реечный.

В высокоуглеродистых сталях образуется пластинчатый мартенсит: кристаллы состоят в средней своей части из большого числа микро двойников, представляют собой широкие пластины, в плоскости шлифа имеют вид игл (рис.2.2,а).

а) б)

Рис. 2.2 – Схема микроструктуры пластинчатого (игольчатого) (а) и реечного (массивного) (б) мартенсита.

Пластинчатый мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях, характеризующихся низкой температурой мартенситной точки.

В конструкционных, углеродистых, легированных сталях кристаллы мартенсита имеют форму тонких реек - реечный мартенсит, вытянутых в одном направлении (рис.2.2,б), называемый также массивным мартенситом. Между кристаллами мартенсита сохраняются прослойки остаточного аустенита.

Свойства мартенсита. Характерной особенностью мартенсита является его высокая твердость и прочность. Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода, в стали с 0,6 - 0,7% С твердость мартенсита HRC 65 (HV 960), что во много раз больше твердости феррита. Присутствие углерода и других примесей в твердом растворе повышает электросопротивление и коэрцитивную силу мартенсита, понижает остаточную индукцию и магнитную проницаемость по сравнению с ферритом. Мартенсит по сравнению с другими структурными составляющими стали, и особенно с аустенитом, имеет наибольший удельный объем