книги / Строение и свойства металлических сплавов

Глава седьмая

МАРТЕНСИТНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ

Особенности превращения • Сущность превращения • Влияние дефектов структуры • Кристаллография мартенситного превращения • Влияние состава и стабилизация аустенита • Тонкая структура мартенсита • Состояние мар­ тенсита при низком отпуске

Среди различных превращений, встречающихся в металлических сплавах, одним из наиболее интересных в практическом и тео­ ретическом отношении является мартенситное. Кинетика, механизм процесса, структура продуктов превращения имеют ряд особенностей и до сих пор служат предметом многочислен­ ных исследований. Кроме того, процесс мартенситного превра­ щения, особенно в железных сплавах, приводит к образованию структуры, отличающейся высокой прочностью. Мартенситное превращение является достаточно общим для многих металлов и сплавов [220—226; 149].

Особенности превращения

Отметим особенности мартенситного превращения, которые выясняли главным образом при изучении процесса закалки ста­ ли и структуры закаленной стали (Курдюмов [220]).

1. Превращение бездиффузионное. Например, в стали не происходит перераспределение углерода и легирующих элемен­ тов и состав конечной фазы — мартенсита не отличается от состава исходной фазы — аустенита.

Однако мартенситное превращение может происходить также

вчистых металлах, например в титане, цирконии и кобальте, и

вэтом случае физическая сущность заключается в том, что мартенситный механизм не включает элементарные акты самодиффузии.

2.Кристаллическая решетка, образующаяся в результате мартенситного превращения, деформирована. Мартенсит стали, например, представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в a -железе с тетрагональной решеткой. Степень тетра­ гональное™ зависит от концентрации углерода в растворе и

252

меняется в зависимости от со­ держания Р углерода по массе:

— = 1 + 0,046 Р.

а

При этом с увеличением со­ держания углерода параметр а уменьшается, а параметр с и отношение с/а возрастают.

Тетрагональность мартенси­ та в закаленной стали объяс­ няется предпочтительно упо­

рядоченным расположением атомов углерода в решетке железа. Они занимают не любые октаэдрические поры, а только в на­

неупорядоченно или если бы они' находились в тетраэдрических порах, симметрия решетки была бы кубической. Тетрагональная ячейка a -фазы в кристаллической решетке аустенита показана на рис. 112.

Мартенсит в стали обладает тетрагональной решеткой, по-видимому, даже при малом содержании углерода (<0,1% ), если он образуется в условиях, при которых практически не реа­ лизуются диффузионные процессы. Но в малоуглеродистом мартенсите (<0,5% С) в результате диффузионных процессов тетрагональная решетка может перейти в решетку с кубической симметрией.

Существует мнение о том, что при закалке может образовать­ ся как тетрагональный, так и кубический мартенсит, причем количество последнего возрастает с уменьшением концентрации углерода в стали и при содержании углерода ~0,25% и меньше образуется только кубический мартенсит.

Однако в направлении с среднеквадратичное смещение атомов железа в два раза больше, чем в перпендикулярном направлении [220]. Из анализа механизма перехода у - > а также вытекает, что атомы углерода должны при этом переходе попа­ дать в указанные выше положения. Наконец, теоретический анализ [225, 226], основанный на учете энергии взаимодействия атомов углерода в решетке мартенсита, приводит к выводу, что при низких температурах более устойчивым является упорядо­ ченное распределение углерода и образование тетрагональной решетки. При этом упругая энергия искажений решетки будет минимальной.

С повышением температуры энергия теплового колебания атомов способствует переходу к неупорядоченному расположе­ нию и образованию кубической решетки. Температура перехода в неупорядоченное состояние понижается с уменьшением со­ держания углерода в мартенсите.

253

удовлетворяется условие структурного и размерного соответ­ ствия решеток.

4. Мартенситное превращение протекает в определенном температурном интервале. При охлаждении оно начинается при некоторой фиксированной температуре М1и которая мало зави­ сит от скорости охлаждения. По мере понижения температуры все большее количество аустенита превращается в мартенсит до тех пор, пока не будет достигнута температура М„, при которой

Превращение становится возможным, когда AF ^ ДFv -f AFS + +AFE. В данном случае большое значение AF обусловлено глаз­ ным образом вкладом упругой энергии.

Распространение мартенситного превращения на область температур— одна из основных особенностей этого превраще­

ние. 114. Диаграмма изотермического распада аустенита для доэвтектондной стали

255

ния. Это связано с тем, что зародыши мартенсита образуются не в любой точке аустенита, а в определенных (подготовленных) местах, отличающихся составом или структурой. Для дальней­ шего развития превращения требуется понижение температуры, когда увеличивается AF, уменьшается гкр и могут быть исполь^ зованы для превращения другие, менее подготовленные (в тер­ модинамическом смысле) области. Кроме того, частично прошед­ шее превращение влияет на аустенит таким образом, что обра­

фазового наклепа несовершенства мешают когерентному росту).. Это, вероятно, может играть значительную роль на более поздних стадиях превращения, когда образуется много мартенсита и эф­ фекты давления и число возникающих дефектов значительны.

Изотермическое превращение у->-а, хотя и имеет место в ряде сплавов, однако быстро затухает (см. дальше).

5. Кинетика мартенситного превращения (в отличие от пер­ литного) характеризуется обычно отсутствием инкубационного периода. Образование каждого элемента структуры— пластины мартенсита происходит с большой скоростью, практически мгно­ венно. Максимально возможная скорость роста, по-видимому, равна скорости звука. Действительная скорость меньше и составляет около трети скорости звука. По разным оценкам время образования одной пластины ~10-7 сек, что отвечает

роста фактически равна нулю. Кулин и Коэн показали, что даже при 4° К в сплавах Fe — Ni наблюдается мартенситное превра­ щение почти с такой же скоростью, как и при более высокой температуре. Большую скорость роста кристалла мартенсита

скоростью образования зародышей мартенсита. Процесс в целом является автокаталитическим.

6. Превращение идет не до конца, а только в некотором ог­ раниченном объеме. Дальнейший распад аустенита идет при понижении температуры (рис. 115).

Отрезок А характеризует количество остаточного аустенита после охлаждения образца до комнатной температуры, а отре-

256

-т- (—100)°С.

7. Если в процессе охлаждения сде­ лать остановку в области мартенситного превращения (или вы­

ше Л1ы), то наблюдается эффект стабилизации аустенита. При изотермической выдержке мартенсита образуется меньше или он вовсе не образуется, а в случае последующего охлаждения точка Ми понижается (подробней ниже).

8. Большое влияние на мартенситное превращение оказывает деформация. Пластическое деформирование в интервале Мн — Мк увеличивает количество мартенсита. В некоторых слу­ чаях подобным же образом влияют и упругие напряжения. Деформация при температурах несколько выше М„ может смес­ тить эту точку в сторону более высоких температур. Наивысшая температура, при которой под влиянием напряжений еще может образоваться мартенсит, называется М<*

Если аустенит деформировать при температурах, значительно превышающих Мн, то это часто вызывает замедление превраще­ ния. Вообще деформация влияет на превращение аустенита в мартенсит сложным образом.

При изучении превращения в монокристаллах важно учиты­ вать направление прикладываемых напряжений. В некоторых случаях напряжения могут препятствовать превращению. Уста­ новлена зависимость количества образующегося под влиянием деформации мартенсита от вида напряженного состояния в упругой и пластической области (например, при растяжении и изгибе мартенсита образуется больше, чем при сжатии и кручении).

Величина удлинения при образовании в процессе деформации мартенсита является суммой трех удлинений, вызванных дефор­ мацией, образованием фазы с большим удельным объемом и временным резким повышением пластичности в момент фазо­ вого превращения.

Эффект повышения пластичности при фазовых и структурных превращениях наблюдался в ряде исследований (например, Воробьева). Возможно, что этот эффект связан с тем, что при фазовых превращениях сильно возрастает концентрация вакан-

сий и соответственно скорость диффузии атомов. Увеличение скорости диффузии при фазовых превращениях показано экспе­ риментально (см. гл. III). Возможно, что в процессе перестрой­ ки решетки уменьшается ее сопротивление движению дисло­ каций.

Изменение состава стали по-разному сказывается на мартен­ ситном превращении при охлаждении и при деформации. Повидимому, положение Md не связано с положением Мн и интер­ вал Md— Ма в разных сплавах различный.

Мартенсит деформации отличается от «мартенсита охлажде­ ния». После пластической деформации мартенсит получается более дисперсным, что ведет к улучшению механических свойств. В зависимости от условий деформирования (температуры, степе­ ни, схемы напряженного состояния) и состава сплава образуют­ ся различные формы мартенсита и в некоторых случаях — весьма мелкие частицы. Упрочнение при пластической деформации аустенита является результатом суммарного действия наклепа исходной фазы (и передачи «по наследству» дефектов структуры

деформации.

Однако, сравнивая физические свойства гексагональных фаз в сплавах железа с марганцем и хромом со свойствами е-желе- за, существующего при высоких давлениях, автор [234] предпо­ ложил, что гексагональная е-фаза — не промежуточная метастабильная модификация, а самостоятельная, термодинамически стабильная фаза. Эту фазу могут стабилизировать легирующие элементы (хром, марганец) или повышенное давление. Проме­ жуточные фазы образуются также при закалке титановых сплавов.

10. Важной особенностью мартенситного превращения яв­ ляется особый механизм фазового перехода. Переход из аусте­ нита в мартенсит происходит путем закономерного и строго упорядоченного ориентированного смещения атомов на расстоя­ ние меньше межатомного при сохранении общей сопрягающейся плоскости. Кооперативный или упорядоченный способ перемеще­

процесса, что определяет большую скорость превращения. Вследствие когерентного сопряжения и различия удельных

258

В некоторых случаях при обратном превращении рельеф не образуется, например в сплавах типа викаллой, хотя кинетика превращения мартенситная. Следует отметить, что рельеф не всегда наблюдается также при прямом мартенситном переходе. Так, в Fe — Ni — А1 сплаве рельеф обычно заметен, но исчезает после многократных переходов, что объясняется сильным иска­ жением у-фазы. Если имеет место компенсация сдвигов в макро­ объеме, то рельефа, несмотря на мартенситный характер пре­ вращения, также может не быть. Таким образом, появление рельефа является хорошим экспериментальным признаком мар­ тенситного превращения, но не безусловным.

При образовании игольчатого мартенсита краевой рост пластинки продолжается, пока она не встречает границу зерна аустенита или другую пластинку; при этом толщина пластинки изменяется незначительно. Первая пластинка пересекает зерно матрицы целиком, а по мере увеличения количества мартенсита средний размер пластинки уменьшается.

Сущность превращения

Специфика мартенситного превращения и особенно большая роль напряжений привели некоторых исследователей к выводу о том, что к мартенситному превращению неприменимы обычные законы кристаллизации, что это особый тип фазового превра­ щения, атермического характера, которое происходит под действием напряжений.

По мнению Гуляева [222], плоскость сдвига (сдвиг имеется в аустените еще выше То и возникает под действием напряжений) является двумерным зародышем кристалла мартенсита. Мар­ тенсит растет перпендикулярно к этой плоскости. Поле напря­ жений в аустените может возникнуть по разным причинам: из-за изменения температуры при охлаждении, градиента температуры по сечению образца, вследствие анизотропии теплового расши­ рения, различного состояния атомов на поверхности, внутри и по границам зерен, а после начала превращения в результате раз­ личия удельных объемов аустенита и мартенсита.

В работе [237] развивались представления, согласно которым образование мартенсита начинается из «центра деформации», например дислокации, и распространяется через решетку как волна сдвига. Такой механизм не требует термической активации при росте, чем и объясняются атермические особенности мартен­

цирконии, уране. В чистом железе трудно сохранить мартенсит-

260