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 температуреМн и протекает не в изотермических условиях, а в интервале температур. При переохлаждении до температуры, соответствующей точке Мк, аустенит начинает превращаться в мартенсит. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже температуры Мн. 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 (Аост – остаточный аустенит)
При достижении определенной температуры превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эта температура окончания мартенситного превращения обозначается Mк Положение точекМн и Мк не зависит от скорости охлаждения и обусловлено химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже температура точекМн иМк.
Мартенситное превращение не протекает до конца, поэтому в закаленных сталях, имеющих точку Мк 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 точекМн и Мк, 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 Мн - Мк.
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