Мартенситное превращение (бездиффузионная перекристаллизация)

Если переохладить аустенит до температуры ниже начала мартенситного превращения М_н = 250 – 200 °С, произойдет бездиффузионное полиморфное превращение (γ-Fе – α-Fe), в результате которого в кристаллической решетке образовавшегося мартенсита углерода будет столько, сколько содержалось в аустените стали до начала превращения, так как оно происходит при температуре, при которой диффузия атомов углерода, железа и других элементов
невозможна. Максимальная же растворимость углерода в равновесном альфа-железе обычно не превышает 0,02 %.

Следовательно, мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе, он метастабилен и при нагреве его выше температуры точки М_н распадается на ферритоцементитную смесь.

Избыточное количество углерода искажает решетку альфа-железа, и она становится тетрагональной. Этим объясняется увеличение твердости стали. Степень искаженности (тетрагональности) и твердость тем выше, чем больше в стали углерода (рис. 2.4).

	Атомы железа
	Атомы углерода

а б

Рис. 2.4. Тетрагональная кристаллическая решетка (а) и микроструктура (б)
мартенсита (увеличение − 500-кратное)

Так как мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные, и образовавшиеся кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы, сдвиг атомов образует игольчатый микрорельеф на поверхности металлического шлифа.

Поэтому мартенсит называют мелкоигольчатым, скрытокристаллическим, реечным и т. д. в зависимости от исходной структуры аустенита.

Для того чтобы образовались кристаллы мартенсита, необходимо не-прерывное понижение температуры. Таким образом, весь процесс образования мартенсита из аустенита протекает в интервале температуры от точки М_н до точки М_к (конца мартенситного превращения).

Значения температуры точек М_н и М_к зависят только от содержания углерода в стали. С повышением содержания углерода обе точки мартенситного превращения понижаются. Точка М_к при содержании углерода более 0,6 % находится в области отрицательных температур. Такую сталь следует охлаж-дать до температуры значительно ниже комнатной (обработка холодом). В структуре стали, содержащей более 0,6 % углерода и охлажденной только до комнатной температуры, будет сохраняться аустенит. Такой аустенит называется остаточным.

Мартенсит по сравнению с аустенитом имеет наибольший удельный объем. Это одна из основных причин возникновения при закалке значительных внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин. Мартенсит – основная структура закаленной стали, его твердость – 62 – 64 HRC.

2.1.4. Промежуточное (бейнитное) превращение

Промежуточное (бейнитное) превращение происходит между перлитным и мартенситным превращениями в интервале температуры 550 °С – М_н. Это превращение сочетает в себе диффузионное перераспределение углерода в аустените между продуктами его распада и бездиффузионное (сдвиговое) мартенситное превращение при перестройке кристаллической решетки
γ-Fе→α-Fе. Бейнит (игольчатый троос-тит) – смесь неравновесного высокоуглеродистого феррита и цементита (рис. 2.5). Его твердость ≈ 50 HRC.

2.1.5. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении

Термическая обработка стали обычно проводится не по изотермическому процессу (при постоянной температуре), а при непрерывном охлаждении после нагрева. Для рассмотрения превращения аустенита при непрерывном охлаждении строят кривые охлаждения на С-образной диаграмме (рис. 2.6).

При малой скорости охлаждения (V₁) (вместе с печью ≈ 100 °С/ч) точка A₁ лежит около 700 °С (степень переохлаждения мала) и образуется ферритоцементитная смесь перлит. С увеличением скорости охлаждения (V₂ – на спокойном воздухе – до 200 °С/мин) образуется дисперсная ферритоцементитная смесь сорбит. При охлаждении в масле со скоростью V₃ – до 500 °С/с ферритоцементитная смесь становится еще мельче (высокодисперсной) – троостит, т. е. образуются те же структуры, что и при изотермическом процессе. Степень переохлаждения увеличивается, и точка превращения A₁ смещается в область более низкой температуры.

Время

Мк

А→П

V4 – мартенсит

Vкр

V3 – троостит

V2 – сорбит

V1 – перлит

М + Аост

Мн

Аустенит переохлажденный

t, °С

А1

Аустенит устойчивый

Рис. 2.6. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении
(сталь − 0,8 % С)

Скорость охлаждения, равная V_кp (касательная к кривой начала распада не пересекает кривые времени начала и конца перлитного превращения диаграммы), соответствует критической скорости закалки, т. е. минимальной скорости охлаждения, при которой образуется мартенсит (для углеродистой стали V_кp превышает 1000 °С/с), и может быть реализована только при охлаждении в воде либо в водных растворах.

Охлаждение со скоростью выше критической (V₄ > V_кp) при закалке на мартенсит применяют для того, чтобы быстро пройти участок наименьшей устойчивости аустенита (550 – 500 °С) и не допустить его распада на ферритоцементитную смесь.

При скорости охлаждения меньше критической аустенит частично распадается на ферритоцементитную смесь, а часть его переохлаждается до точки ниже М_н. В результате образуется структура, состоящая из троостита и мартенсита.

Значение критической скорости закалки определяет выбор охлаждающей среды и влияет на прокаливаемость стали.