Мартенситное превращение

При достаточно высокой скорости охлаждения аустенита (то есть при закалке) монотонная зависимость свойств от скорости нарушается. Это связано с тем, что меняется фазовый состав материала. Так, в углеродистой стали после закалки появляется мартенсит – пересыщенный раствор углерода в железе с объемноцентрированной тетрагональной решеткой. Появление мартенсита вызвано тем, что при понижении температуры гранецентрированная кубическая решетка железа должна перестроиться в объемоцентрированную. Поскольку растворимость углерода в железе с объемоцентрированной решеткой невелика, а диффузионные процессы не успели привести к образованию и росту частиц цементита, то объемноцентрированная решетка искажается и становится тетрагональной. Фазу с тетрагональной объемоцентрированной решеткой принято называть мартенситом.

Образование мартенсита приводит к появлению в материале внутренних напряжений. Это связано с тем, что плотность упаковки атомов в решетке мартенсита существенно ниже плотности упаковки атомов в решетке исходной фазы аустенита. Появление внутренних напряжений приводит к двум важным последствиям. Во первых, минимизация упругой компоненты свободной энергии требует выделения мартенсита в виде тонких пластин. Во вторых, мартенситное превращение до конца не развивается. Последнее обстоятельство связано с тем, что по мере роста пластин мартенсита упругая компонента свободной энергии сравнивается с объемной компонентой, и дальнейшее превращение становится энергетически не выгодным.

Таким образом, после мартенситного превращения в сталях формируется мартенситная структура, состоящая из тонких пластин мартенсита и остаточного аустенита. Поскольку кристаллическая решетка мартенсита упакована неплотно, то подвижность дислокаций в нем мала – то есть мартенсит является трудно деформируемой фазой. Вместе с тем, пластическая деформация аустенита в ходе мартенситного превращения приводит к значительному увеличению плотности дислокаций, следовательно, аустенит также становится трудно деформируемой фазой. Следовательно, после закалки сталь существенно упрочняется.

Важно отметить, что мартенситная структура (смесь пластин мартенсита и прослоек остаточного аустенита) термодинамически неустойчива. В соответствии с диаграммой состояния Fe-Fe₃Cпри низких температурах в структуре сплавов должны присутствовать феррит и цементит. Однако, при невысоких температурах диффузия развивается крайне медленно, поэтому мартенситная структура остается стабильной. При нагреве закаленной стали, диффузия активизируется, что ведет к изменению структуры.

Термическую обработку, заключающуюся в нагреве закаленной стали, называют отпуском. Отпуск принято разделять на низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск.Для нелегированных углеродистых сталей низкий отпуск проводят при температурах 180 – 200С. Поскольку скорость диффузии при этих температурах невысока, то происходит образование дисперсных частиц-карбида, в мартенсите. Частицы-карбида имеют гексагональную решетку и близки по составе кFe₂C. Обеднение мартенсита углеродом при образовании карбидных частиц приводит к уменьшению тетрагональности мартенсита. Поскольку решетка мартенсита становится более компактной, то и внутренние напряжения снижаются. Снижение внутренних напряжений ведет к частичному превращению аустенита в мартенсит. Таким образом, после низкого отпуска внутренние напряжения в закаленной стали снижаются и ударная вязкость увеличивается.

Влияние низкого отпуска на твердость закаленной стали не столь однозначно. С одной стороны, уменьшение степени тетрагональности мартенсита и увеличение компактности его решетки ведет к увеличению подвижности дислокаций, поэтому твердость должно снижаться. С другой стороны, дополнительное превращение аустенита в мартенсит повышает твердость стали. В нелегированных углеродистых сталях низкий отпуск обычно несколько снижает твердость, а в сложнолегированных сталях с сильно искаженной решеткой маренсита низкий отпуск приводит к росту твердости. Следует отметить, что низкий отпуск сложнолегированных сталей производят при существенно более высоких температурах, поскольку атомы легирующих элементов искажают решетку мартенсита, а следовательно затрудняют движение вакансий и замедляют диффузию.

Средний отпускзакаленных углеродистых сталей производится при температурах 350-450С. При этих температурах зародыши-карбида обогащаются углеродом и их состав начинает соответствовать цементиту (Fe₃C). Мартенсит, освобождаясь от избытка углерода, полностью превращается в феррит. Поскольку компактность решетки феррита выше, чем у мартенсита, внутренние напряжения снижаются, и аустенит превращается в мартенсит. Далее мартенсит распадается на феррито-цеменитную смесь. По дисперсности феррито-цементитная смесь, полученная после среднего отпуска, аналогична феррито-цементитной смеси полученной при одинарной обработке. Поэтому ее называют трооститом отпуска. Однако морфология частиц цементита существенно отличается. Поскольку при среднем отпуске зародыши цементита образуются в мартенсите, то диффузионные потоки углерода направлены со всех сторон. Поэтому частицы цементита приобретают сферическую форму.

Дисперсные сферические частицы цементита, полученные в результате среднего отпуска, сильно затрудняют движение дислокаций в феррите. Поэтому закалку со средним отпуском применяют для упругих элементов (пружины, рессоры, сильфоны и т.д.).

Высокий отпуск углеродистых сталей производят при температурах 550-680С. Поскольку диффузия заметно активизируется, то частицы цементита становятся крупнее, чем после среднего отпуска. Полученную структуру называют сорбитом отпуска. В отличие от сорбита, полученного нормализацией, сорбит отпуска обеспечивает большую пластичность стали, а также повышает предел текучести. Это связано с тем, что после нормализации сорбит имеет пластинчатое строение, а после высокого отпуска частицы цементита имеют вид глобул. Деформация стали обусловлена движением дислокаций в феррите. После нормализации возможно сравнительно легкое движение дислокаций вдоль пластин феррита, тогда как в материале, после закалки и высокого отпуска, дислокации огибают сферические частицы цементита (рис. ). Это приводит к повышению пластичности и прочности материала. Поэтому термообработку, включающую в себя закалку с высоким отпуском стали, называют термическим улучшением стали.

Рис. 1Движение дислокаций при наличии в феррите сферических частиц цементита.