Мартенситное превращение (рис. 4.6) — это превращение переохлажденного аустенита, происходящее при его охлаждении в интервале температур от Мв до Мк, где Мн — температура начала; Мк — температура конца мартенситного превращения.
При этих температурах диффузионные процессы становятся невозможными и перестройка решетки Fey(ГЦК) в решетку Fea(ОЦК) происходит по сдвиговому механизму без выхода атомов углерода из решетки. При этом атомы смещаются на расстояния, не превышающие межатомные, сохраняя первоначальное соседство. Образуется перенасыщенный твердый раствор внедрения углерода в a-железе, называемый мартенситом. Растворимость углерода в мартенсите может достигать 2,14 %, в то время как в a-железе при 727 °С в равновесном состоянии растворяется не более 0,02 % углерода. Главные особенности мартенсита — высокая твердость и прочность. Твердость мартенсита тем выше, чем больше содержание в нем углерода.
Атомы углерода, внедряясь в решетку a-железа, сильно ее искажают. Такую искаженную кристаллическую решетку называют тетрагональной (рис. 4.6, а), в ней параметр с больше а, следовательно, отношение с/а > 1. При увеличении содержания углерода степень тетрагональности решетки мартенсита увеличивается.
|
|
Как уже отмечалось, мартенситное превращение начинается при температуре Мн и продолжается в некотором интервале температур при непрерывном охлаждении. Если охлаждение прекращается, прекращается и превращение. Этим оно отличается от перлитного, идущего при постоянной температуре. Чтобы мартенситное превращение завершилось полностью, необходимо непрерывно охлаждать сталь до температуры Мк. Положение точек М„ и Мк не зависит от скорости охлаждения и определяется химическим составом аустенита (рис. 4.6, б).
Мартенсит \ ^У^ |
\Л W
с/а> 1 FOXJI^150...200°/c
Тпр< 200 °С |
Рис. 4.6.. Мартенситное превращение: а — механизм превращения и строение кристаллической решетки; б — влияние содержания углерода на положение мартенситных точек; в — микроструктура крупноигольчатого мартенсита и остаточного аустенита в стали |
Чем больше в стали углерода, тем ниже температура начала и конца мартенситного превращения. При содержании в сталях более 0,6 % углерода превращение завершается при температурах ниже нуля. Если такие стали охлаждать до 0 °С, то это приводит к сохранению некоторого количества непревращенного (остаточного) аустенита (Аост). Увеличение содержания углерода в стали ведет к росту Аост — в структуре высокоуглеродистых сталей после их закалки в воде сохраняется значительное количество остаточного аустенита, что уменьшает твердость стали.
|
|
По морфологии мартенсит разделяют на пластинчатый и реечный. Пластинчатый мартенсит состоит из широких и тонких пластин, которые на шлифе имеют вид игл, расположенных параллельно друг другу или под углом (рис. 4.6, в). Он характерен для высокоуглеродистых сталей. Чем мельче зерна исходного аустенита, тем мельче пластины мартенсита, образующиеся из него. Реечный мартенсит наблюдается в закаленных низко- и среднеуглеродистых сталях. Кристаллы такого мартенсита имеют вид тонких реек, собранных в пакеты. В одном зерне аустенита может быть несколько таких пакетов.
Превращение аустенита в мартенсит связано с изменением объема. Все структуры стали можно расположить в ряд по мере увеличения объема: аустенит —> перлит —> сорбит —» троостит —> мартенсит.
Промежуточное превращение переохлажденного аустенита протекает в температурной области между перлитным и мартен- ситным превращениями с образованием структуры, называемой бейнитом (см. рис. 4.5, в, г). Бейнит состоит из перенасыщенного твердого раствора С в Feaи цементита. Различают верхний и нижний бейнит. Верхний бейнит образуется в интервале температур 550...350 °Си имеет строение, напоминающее строение перлита. Нижний бейнит образуется обычно в интервале температур от 350 °С до точки Мн и имеет игольчатое строение, похожее на строение мартенсита.
Бейнитное превращение начинается с диффузионного перераспределения углерода в аустените. При этом в обедненных углеродом зернах аустенита инициируется мартенситное бездиффузионное превращение, так как для этих зон повышается температура начала мартенситного превращения (Ми). В объемах аустенита, обогащенного углеродом, выделяются частицы карбидов (цементита), соседствующие с зонами зерен, в которых происходит мартенситное превращение. Мартенситные кристаллы перенасыщены углеродом, что в сочетании с высокой температурой и благоприятными условиями для протекания диффузионных процессов создает условия для распада мартенсита и образования карбидов.
В верхнем бейните диффузия идет быстрее и цементит в основном выделяется из аустенита, в нижнем бейните — из мартенсита. Верхний бейнит имеет твердость и прочность примерно такие же, как у троостита, но более низкую пластичность. Снижение, пластичности связано с выделением сравнительно грубых карбидов по границам ферритных зерен. Нижний бейнит имеет высокую твердость и прочность при сохранении высокой пластичности.