Мартенситное превращение

Мартенситное превращение (рис. 4.6) — это превращение переохлажденного аустенита, происходящее при его охлаждении в интервале температур от М_в до М_к, где М_н — температура на­чала; М_к — температура конца мартенситного превращения.

При этих температурах диффузионные процессы становятся невозможными и перестройка решетки Fe_y(ГЦК) в решетку Fe_a(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 М_н 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 М_к. Положение точек М„ и М_к не зависит от скорости охлаждения и определяет­ся химическим составом аустенита (рис. 4.6, б).

Мартенсит \ ^У^

\Л W

с/а> 1 F_OXJI^150...200°/c

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 (А_ост). Увеличение содержания угле­рода в стали ведет к росту А_ост — 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 Fe_aи 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 М_н 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 (М_и). 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.