Введение
Для того, чтобы наиболееполно разобраться в том, что же такое мартенситное превращение, думаю, нам следуетначать с определения, что же такое мартенсит, даваемого повсеместно в словаряхи энциклопедиях.
Мартенсит —микроструктура игольчатого вида, наблюдаемая в закалённых металлических сплавахи в некоторых чистых металлах, которым свойствен полиморфизм. Назван в честьнемецкого металловеда, одного из основоположников исследований по усталостиматериалов, Марка Адольфа Мартенса (А. Martens; 1850—1914гг.). Мартенсит —основная структурная составляющая закалённой стали; представляет собойупорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе.
Мартенситное превращение,наиболее интересная стадия превращения аустенита в сталях.
Физический механизмобразования мартенсита принципиально отличается от механизма других процессов,происходящих в стали при нагреве и охлаждении. До тех пор пока, ученые не смоглинаиболее глубоко изучить и описать этот процесс, существовало много различныхне уясненных, непонятных и не объяснимых на тот момент процессов происходящихпри превращении А→М.
1. Диаграммаизотермических превращений аустенита
С целью уясненияпроцессов происходящих в сталях, и влияние различных температур на аустенит ина строение и свойства получающихся при его распаде продуктов рассмотримдиаграмму его изотермических превращений, т.е. таких превращений, которыепроисходят при постоянных температурах, лежащих ниже точки A1.
Диаграмма изотермических превращений аустенита эвтектоиднойстали (0,8% С) имеет простой вид (рис. 1). Диаграмма представлена двумя кривыми(их принято называть С-кривыми). Она составлена в координатах время —температура изотермической выдержки. Время откладывается в логарифмическойшкале (для укорочения последней, так как отсчет ведется в секундах).
/>
Рис.1. Диаграмма изотермических превращений аустенита(0.8%С).
Собственно диаграмма заключена между двумя критическимиизотермами, из которых изотерма A1 соответствуетравновесному превращению аустенит—перлит, а изотерма Mн – началу интересующего нас мартенситного превращения.
В различных областях диаграммы происходят различные процессы.
Например: В верхней части выше выступов С-кривых образуетсянаиболее крупнопластинчатая, грубодисперсная смесь Феррит + Цементит. Всю областьвыше выступов принято называть сокращенно ПСТ (Перлит – Сорбит — Тростит).
Распад аустенита в области температур ниже выступа происходятпри явно недостаточной скорости диффузионных процессов. Это в данной областиявляется доминирующим обстоятельством, предопределяющим характер формированияобразующихся при распаде продуктов, называемых бейнитами в честь американскогоученого Бейна, впервые исследовавшего изотермические превращения аустенита,скорость работы механизма формирования новых фаз в этих условиях полностьюзависит от интенсивности диффузии. При Мн диффузия прекращается полностью.
Таким образом, при распаде аустенита в нижней температурнойобласти диаграммы изотермических превращений (см. рис. 111) образуется смесьпересыщенного твердого раствора углерода в α-Fe и специфического карбида железа: Ф'+ Ц', тем более отличающаяся от смеси Ф + Ц, чем ниже температура превращения.
По мнению ряда исследователей, при бейнитном превращении изаустенита предварительно выделяется какое-то количество углерода, в результатечего образуются частицы карбида железа. Несколько обедненный при этом аустенитзатем превращается в пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe—мартенсит М. Разберемся в том, как это происходит и при каких условиях.
2. Мартенситное превращение
Если переохладить аустенит до точки Mн, то начнется так называемое мартенситное превращение,происходящее при непрерывном охлаждении в интервале температур от точки Мн„ доточки Мк, лежащей ниже О °С при С > 0,8%.
Интервал температур Mн …Mк зависит от количества углерода ваустените стали (рис.2)
Так при содержании углерода больше 0.6% точка Мн находится вобласти отрицательных температур. Скорость охлаждения практически не влияет натемпературу Мн и Мк.
/>
Рис. 2.Влияние содержания углерода на положение мартенситныхточек Мн и Мк.
Минимальная скорость охлаждения Vk, прикоторой весь аустенит переохлаждается до температуры точки Mн, и превращается в мартенсит,называется критической скоростью закалки. Суть данного превращения состоит втом, что в этих условиях происходит только бездиффузионное аллотропическоепревращение γ-Fe в α-Fe. Что касается растворенных ваустените атомов углерода, то вследствие отсутствия диффузионных процессов онине могут выйти из образовавшейся новой решетки и поэтому остаются в ней, вносяв нее существенные изменения и внутренние напряжения.
Для сталей с С>0.6% после охлаждения до 0°С в структурезакаленной стали сохраняется некоторое количество непревращенного (остаточногоаустенита) Аост, количество которого увеличивается ввысокоуглеродистых сталях с низким значением точек Мн и Мк,
Важнейшим условием А→М-превращенияявляется непрерывное охлаждение аустенита в интервале от Мн до Мк. Приостановках фиксируется нераспавшийся аустенит с неприятными последствиями(снижение твердости, изменение размеров и т. д.).
Механизм образования сводится к тому, что в зернах аустенитавозникают растущие с огромной скоростью кристаллы мартенсита, имеющиепродолговатую сплюснутую форму в виде пластин или реек и возросший объем.Огромная скорость роста мартенситных кристаллов, превышающая 1000м/с,способствует образованию наклепа в аустените, возникающие при этом дислокациипереходят в образующийся затем мартенсит, что поышает его твердость, снижаяпластичность до нуля. Плотность дислокаций возрастает до 1013см-2. За времяпревращения кристаллы мартенсита многократно возникают и проскакивают подуглами 60° и 120° друг к другу. При наблюдении в микроскоп их следы имеют игольчатуюформу.
Мартенситное превращение очень чувствительно к напряжениям, адеформация аустенита может вызвать превращение даже при температурах выше Мн(мартенсит деформации).
Схему превращения А→Mможно записать в виде
γ-Fe(C) -> α-Fe(C).
При А->Mпроисходит перестройка решетки γ-Fe г.ц.к. в решетку α-Feо.ц.к. по сдвиговому механизму без выделения углерода из решетки α-железа.
Атомы растворенного в мартенсите углерода размещаются воктаэдрических порах тетрагональных кристаллов.
Согласно современным взглядам об электронном строениикристаллической решетки мартенсита, находящийся в октапоре атом углерода двумяиз четырех своих валентных электронов образует ковалентные связи с двумяближайшими атомами железа. Остальные же два валентных электрона переходят вэлектронный газ, образуя металлическую связь между атомами решетки.
Образующиеся в мартенсите трехцентровые ковалентные связи Fe-C-Fe почти напорядок сильнее металлических. К тому же они являются очень жесткими связями,допускающими лишь небольшие упругие деформации. превышение которых влечетполное скачкообразное исчезновение взаимодействия. Эти особенности межатомноговзаимодействия в мартенсите сочетающие металлическую и ковалентную связи в егокристаллический решетке, являются основной причиной, предопределяющей его оченьвысокую твердость и хрупкость.
Имеются и другие факторы, которые вносят важный вклад вформирование вышеупомянутой специфики свойств мартенсита, в частности высокийуровень остаточных внутренних напряжений и большая плотность дислокаций.
В заключение напомним, что образование пересыщенного твердыйраствор углерода в α-Feпроисходит и при бейнитном превращении аустенита начиная с выступа С-крипых. Нов бейните в связи с образованием карбидной фазы не весь углерод оказываетсярастворенным в α-Fe. Всвязи с этим превращение в интервале температур Мн — Мк. когда образуетсятолько одна фаза, содержащая весь растворенный в аустените углерод, являетсяистинно мартенситным.
аустенит мартенситный сталь безуглеродистый
3. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение
При нагреве под закалку большинство легирующих элементоврастворяются в аустените. Карбиды TiC, NbC, ZrC [частично (Fе, V)з С] не растворяются в аустените,даже когда их количество в стали мало. Эти карбиды тормозят рост аустенитногозерна при нагреве и обеспечивают получение мелкоигольчатого мартенсита призакалке. Остальные карбидообразующие элементы при небольшом количестве их всоставе стали, а также некарбидообразующие элементы при нагреве растворяются ваустените и при закалке образуют легированный мартенсит.
Легирующие элементу оказывают незначительное влияние нараспад мартенсита только при температурах ниже 200 °С. При более высокихтемпературах введение в сталь Cr, Mo, W, V, Si и Ti сильно тормозит процессыраспада мартенсита, образования и роста частиц карбидов. Это имеет большоепрактическое значение. Если в углеродистой и низколегированной стали состояниеотпущенного мартенсита, обладающего высокой твердостью, сохраняется лишь до250—350 С, то в высоколегированной стали такое состояние сохраняется до 450—500°С и выше.
В таблице 1 показано распределение легирующих элементов вразных фазах конструкционной стали после закалки.
/>
Рис.3. Влияние легирующих компонентов на мартенситную точкуМн в сталях с 0.76…1.0% С (Зюзин, Садовский и Баранчук).
Таблица 1Характер термообработки Легирующий элемент В твердом растворе В карбидной фазе Отжиг Si, Al, Ni, Cu, Mn, Cr, Mo, W Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti Закалка Si, Ni, Al, Cu, Mn, Cr, V, Mo, W Nb, V, Zr, Ti, Cr, Mo, W
Отпуск при 600°С
(Улучшение) Si, Ni, Al, Cu, Mn, Cr, Mo, W Zr, Ti, V,Mn
Примечание: если легирующий элемент может присутствовать вразных фазах, предпочтительная форма его содержания в стали, выделена жирнымшрифтом.
На рис. 3 показано, что легирующие элементы (за исключениемА1, Со) снижают температуру мартенситного превращения. Вследствие этого влегированных сталях после закалки часто наблюдается большое количествоостаточного аустенита.
4. Микроструктурамартенсита
Как уже нами установленомартенситом, называется пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе.
Так как в кристаллическойрешетки мартенсита имеется избыточное количество атомов углерода по сравнению стем, которое может раствориться в феррите (~0,01 % С), то это приводит кискажению формы решетки (рис. 4, а, б). Такая решетка, у которой отношение c/а > 1, называется тетрагональной.А отношение c/а – степенью тетрагональности.
/>
Рис. 4. Кристаллическаярешетка мартенсита (а); влияние содержания углерода на параметры с и а решеткимартенсита (Т. В. Курдюмов, Э. З. Каминский)
На рис 4, а приведенасхема ячейки кристаллической решетки мартенсита; рис 1, б показывает изменениепараметров решетки мартенсита разных по составу сталей, откуда видно, чтостепень тетрагональности с/а мартенсита прямо пропорциональна содержаниюуглерода в стали.
Кристаллы мартенсита впространстве представляют собой пластины, сужающиеся к концу, и поэтому нафотографии, снятой с плоскости шлифа, кажутся игольчатыми.Электронно-микроскопические и рентгеновские исследования позволяют мелкоблочноестроение отдельных кристаллов мартенсита. Размер блоков порядка 10-6 см. Относительно друг друга кристаллы мартенсита расположены под утлом 60 и 120°. Это даетоснование для заключения, что они возникают по определеннымкристаллографическим плоскостям кристаллов исходной аустенитной фазы.
Размер мартенситныхкристаллов зависит от величины кристаллов аустенита: из мелкозернистогоаустенита образуется мелкоигольчатый мартенсит, и наоборот.
Рентгенографическими исследованиями Г. В. Курдюмова былопоказано, что плоскость (111) и направление [110] аустенитного кристалла припревращении А>М соответственно параллельны плоскости (110) и направлению[111] мартенситного кристалла. Это открытие позволило объяснить рядособенностей механизма превращения аустенита в мартенсит.
Отмеченная взаимная ориентировка решеток г.ц.к. и о.ц.к. приобразовании кристаллического зародыша мартенсита в максимальной степенисоответствует принципу структурного размерного соответствия решеток аустенита имартенсита.
В начале превращения А->М кристаллическая решеткамартенсита когерентно связана с решеткой аустенита (рис. 6, а). Поэтому припревращении решетки г.ц.к. в о.ц.к., атомы железа смещаются на расстояния,меньшие периода решетки, и нет необходимости в самодиффузии атомов железа, чтопри низких температурах превращения А->М происходить не может.
Характерно, что при превращении решетки А→М смещения атомов железа носят закономерный характер вопределенных направлениях по отношению к своим соседям. В результате такихперемещений атомов в одну и ту же сторону получается реальный сдвиг. Такоймеханизм роста кристаллов получил; название сдвигового механизма роста.
/>
Рис. 6. Схема соотношения между решеткой старой и новой фазыпри мартенситном превращении: а – период роста, сохранение порядка на границе;б – прекращение роста, беспорядок на границе (Г. В. Курдюмов)
Ориентированный когерентный рост кристаллов мартенситаобеспечивает минимальную поверхностную энергию растущих кристаллов мартенсита иобусловливает термодинамическую экономичность процесса.
При когерентном росте кристалла мартенсита ввидузначительного различия в объемах аустенита и мартенсита возникают большиенапряжения как в кристаллах аустенита, так и в кристаллах мартенсита. Придостижении определенной величины мартенситного кристалла эти напряжениядостигают значения предела текучести аустенита. Поэтому в последнем происходитпластическая деформация, приводящая к нарушению когерентной связи решеток иотрыву решетки мартенсита от решетки аустенита (рис. 3, б), вследствие чегодальнейший рост мартенситного кристалла прекращается.
Специфические особенности сдвигового механизма ростамартенситных кристаллов объясняют особенности мартенситного превращения сталипри закалке.
Такими особенностями являются: 1) бездиффузионный механизм 2)ориентированность мартенситных кристаллов относительно старой фазы; 3) оченьбольшие скорости роста (порядка 10...1000 м/с) мартенситных кристаллов; 4)необратимость мартенситного превращения; 5) Очень ограниченное протеканиепроцесса в изотермических условиях и необходимость непрерывного охлаждения дляразвития процесса.
5. Механические свойства стали с мартенситной структурой
В табл. 2 приведены механические свойства стали 40 (0,4 % С)после термообработки (отпуска, закалки и отпуска).
Таблица 2Структура и характер термообработки Механические свойства σв, МПа σт, МПа НВ δ, % Ψ, % П+Ф(отжиг) 600 250 140 33 55 Мартенсит (закалка) 1400 1100 570 2 3
Отпуск при 600°С
(сорбит отпуска) 620 410 170 20 64
Как видно из табл. 2, характерными свойствами стали смартенситной структурой являются высокая твердость и малая пластичность.Установлено, что твердость мартенсита зависит от содержания углерода в стали имало изменяется от наличия легирующих элементов (рис. 7)
/>
Рис. 7. Влияние содержания углерода на твердость HRC мартенсита.
Хрупкость стали увеличивается с увеличением содержанияуглерода укрупнением мартенситных игл. Последняя имеет место при закалке сталис крупным зерном аустенита.
Высокую твердость мартенсита Г. В. Курдюмов объясняетмелкоблочным строением мартенситных кристаллов, границы которых сильнозатрудняют перемещение дислокации.
Сильно развитая блочная структура закаленной малоуглеродистойстали является основной причиной её высокой статической прочности; рольуглерода в этом незначительна. В высокоуглеродистой стали упрочняющая роль углеродавесьма велика.
Установлено, что в закаленной малоуглеродистой стали придеформации дислокации некоторых типов отличаются большой подвижностью; ониспособствуют деформации стали без образования при этом трещин.
В кристаллах мартенсита высокоуглеродистой стали установленообразование двойников. Считается, что у этих сталей барьерами для дислокацийявляются границы двойников, перед которыми дислокации скапливаются и создаюточаг зарождения трещины. Этим объясняется высокая хрупкость закаленнойвысокоуглеродистой стали. Атомы углерода в решетке мартенсита оказываютдополнительное сопротивление движению дислокаций и, главное, придаюттемпературную зависимость. Этим объясняют склонность закаленной углеродистойстали к хладноломкости.
Эти выводы имеют существенное значение при создании новыхвысокопрочных безуглеродистых сплавов типа мартенсито-стареющих, в которыхвысокий комплекс прочности и вязкости достигается мартенситной структурой, в которойотсутствует тормозящая роль примесей внедрения(в частности, углерода).
Наличие в структуре высокоуглеродистых и некоторыхлегированных сталей большого количества остаточного аустенита уменьшаеттвердость, износостойкость и прочность стали. Остаточный аустенит Аост оказывает отрицательное влияние и на некоторые другиесвойства (уменьшается стабильность размеров деталей, ухудшается шлифуемость ит. д.).
Вязкость закаленной углеродистой стали невелика из-за неоднородностимартенсита, что приводит к концентрации напряжений. Вследствие этого возможнообразование микротрещин, накопление которых приводит к потере пластичности и кхрупкому разрушению стали.
Легирование стали, как правило, сопровождается повышениемоднородности структуры, благодаря чему повышается истинная пластичность е ивозрастает сопротивление вязкому разрушению SК. Этим же определяется повышение сопротивления хрупкомуразрушению Sот легированных сталей в закаленномсостоянии.
Сопротивление отрыву Sот закаленной стали резко понижается с увеличением содержанияуглерода. Так, при С=0.42 % сопротивление отрыву Sот = 1740 МПа, а при С=0.77 % составляет Sот = 630 МПа.
Заключение
В заключении мы можем сделать вывод о том, что мартенсит –структура, сильно отличающаяся по свойствам и строению от других продуктовпревращений в сталях, при различных видах термообработки. Мартенситноепревращение это основная цель такого технологического процесса как, закалка(или закалка на мартенсит), которая производится для повышение твёрдости,прочности и износостойкости, а также для подготовки к отпуску. Поэтому сложнонедооценивать важность того как и при каких условиях происходит мартенситноепревращение, это знание позволяет нам получать стали с нужными нам свойствами.
Список используемой литературы
1. Мозберг Р.К.Материаловедение: Учеб. пособ. – 2-е издание., перераб – Москва Высш. шк.,1991. – 448с.
2. Г.П. Фетисов,М.Г. Карпман В.М. Матюнин и др. Материаловедение и технология металлов – МоскваВысш. шк., 2000. – 639с.
3. Лахтин Ю. М.,Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для ВТУЗов – 3-е изд., перераб. и доп.– Москва: Машиностроение, 1990 – 528с.
4. Арзамасов Б.Н.,И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. Материаловедение: Учебник для ВТУЗов. – 2-еиздание., испр. и доп. – Москва.: Машиностроение, 1986. – 384с.
5. http://www.krugosvet.ru
6. http://ru.wikipedia.org
7. http://www.markmet.ru/
8. http://www.metaltrade.ru