Мартенситные превращения в твердых телах

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Чтобы более подробно разобраться в мартенситных превращениях, следует начать с определения, что такое мартенсит.

Мартенсит - микроструктура игольчатого типа. Она наблюдается в закаленных металлических сплавах, которые обладают свойством полиморфизма. Полиморфизм это такое явление, которое с изменением температуры или давления наблюдается изменение кристаллической структуры материала.

Назван в честь немецкого металловеда, одного из основоположников исследований по усталости материалов, Марка Адольфа Мартенса. Мартенсит -- основная структурная составляющая закалённой стали; представляет собой упорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в б-железе.

В данной работе особое внимание буду уделять мартенситному превращению аустенита в стали. Так же, важны такие факты как, деформация структуры, наблюдаемая при мартенситных превращениях, требует скоррелированного движения атомов для осуществления этой деформации. Мартенситные превращения называют «военными», поскольку в ходе превращения атомы смещаются, как по команде, в одном направлении. При реконструктивных превращениях, движения атомов некоррелированы.

Деформация при мартенситных превращениях осуществляется скольжением дислокаций превращения на межфазной границе.

Как и дислокации, межфазная граница при мартенситных превращениях может двигаться со скоростями близкими к скорости звука и слабо зависит от температуры (некоторые мартенситные превращения происходят при Т<100К).

1. Природа мартенсита

Атомы углерода занимают октаэдрические поры в решетке б-железа (мартенсите) и сильно ее искажают. Мартенсит имеет тетрагональную решетку, в которой один период с больше другого - а. При увеличении содержания углерода высота тетрагональной призмы увеличивается, а размеры ее основания уменьшаются.

Отношение:

с/а = 1 + 0,046 С,

где С - концентрация углерода в аустените (по массе).

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. Сдвиговый механизм превращения отличается закономерным кооперативным направленным смещением атомов в процессе перестройки решетки. Отдельные атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные, сохраняя взаимное соседство. Это приводит к макроскопическому сдвигу, внешним проявлением которого является игольчатый микрорельеф на поверхности металлического шлифа. В процессе превращения кристаллы мартенсита сопряжены с аустенитом по определенным кристаллографическим плоскостям и межфазная граница не образуется. При мартенситном превращении происходит одновременный и направленный групповой сдвиг атомов в решетке аустенита.

Пока на границе мартенсита и аустенита существует сопряженность решеток (когерентность), скорость образования и роста кристаллов мартенсита очень велика ~ 103 м/с. Диффузионный переход атомов из кристаллов аустенита в мартенсит при низких температурах невозможен. Дальнейшее превращение протекает в результате образования новых кристаллов мартенсита.

Рис. 1. Микроструктура мартенсита: а - мартенситный рельеф; б - высокоуглеродистый пластинчатый мартенсит и остаточный аустенит, Ч500; в - низкоуглеродистый реечный мартенсит, Ч2 700; г - мартенсит (реечный) стали, содержащей 0,45 % С, Ч1 000

Мартенситное превращение в общем случае не удается подавить быстрым охлаждением, как это может быть при диффузионных превращениях, протекающих по обычной кристаллизационной кинетике. Превращение начинается сразу при температуре Мн и происходит не в изотермических условиях, а в интервале температур. При переохлаждении до температуры, соответствующей точке Мн, аустенит начинает превращаться в мартенсит.

Рис. 2

Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже температуры Мн. Чем ниже температура, тем больше образуется мартенсита. Количество мартенсита при этом возрастает в результате образования все новых и новых кристаллов, а не вследствие роста уже возникших кристаллов, имеющих некогерентную границу. Температуру окончания мартенситного превращения обозначают Мк. Положение точек Мн и Мк не зависит от скорости охлаждения и обусловлено химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже температура точек Мн и Мк. Все легирующие элементы, за исключением кобальта и алюминия, понижают точки Мн и Мк.

Мартенситное превращение очень чувствительно к напряжениям, а деформация аустенита может вызывать превращение даже при температурах выше Мн. Кристаллы мартенсита в зависимости от состава стали, а следовательно, и от температуры своего образования могут иметь различные морфологию и субструктуру. Различают два типа мартенсита - пластинчатый и реечный. Пластинчатый мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях, характеризующихся низкой температурой мартенситной точки.

Размеры кристаллов любой морфологии мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита. Они тем крупнее, чем больше зерно аустенита. Первая пластина мартенсита имеет протяженность, соответствующую поперечному размеру зерна аустенита. Кристаллы, образующиеся при более низких температурах, стеснены в своем развитии и имеют меньшие размеры.

Мартенсит, как правило, образуется атермически, т.е. при непрерывном охлаждении. Задержка охлаждения при температуре выше температуры конца мартенситного превращения приводит к стабилизации аустенита и при последующем охлаждении его превращение затруднено и протекает с меньшей интенсивностью и полнотой. Количество остаточного аустенита при этом увеличивается, что нежелательно, так как это приводит к неоднородности свойств по сечению и изменению размеров деталей.

Положение точек Мн и Mк не зависит от скорости охлаждения, но зависит от содержания углерода в стали (рис.3). Если содержание углерода в стали превышает 0,6%, то Мк лежит в области отрицательных температур. В этом случае, чтобы получить максимальное количество мартенсита, необходимо после закалки в воде до комнатной температуры сделать еще и обработку холодом. мартенсит кристаллический полиморфизм

Кристаллы в зависимости от состава сплава, а следовательно и от температуры образования, могут иметь различную морфологию. Различают два вида мартенсита: пластинчатый (игольчатый) и пакетный (реечный) (рис. 4). Пластинчатый мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях, имеющих низкие значения Мн и Мк. Сами кристаллы мартенсита в этом случае представляют собой линзовидные пластины, которые в плоскости шлифа имеют вид игл. Пакетный (реечный) мартенсит характерен для низко- и среднеуглеродистых, а также конструкционных легированных сталей. В этом случае кристаллы мартенсита имеют форму тонких реек, вытянутых в одном направлении (рис. 4, б) и объединенных в пакеты.

Рис. 3. Влияние содержания углерода в стали на температуру начала Мн и конца Mк мартенситного превращения

Рис. 4. Схема образования пластинчатого (игольчатого) (а) и пакетного (реечного) (б) мартенсита

Размеры кристаллов любой морфология мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита. Они тем крупнее, чем больше зерно аустенита. Первая пластина мартенсита имеет протяженность, соответствующую поперечному размеру зерна аустенита. Кристаллы, образующиеся при более низких температурах, имеют уже меньшую протяженность (рис. 4 а). Таким образом, особенностями мартенситного превращения являются его бездиффузионный характер, ориентированность процесса, а для сталей еще и атермическая кинетика образования мартерсита. Характерной чертой мартенсита является его высокая твердость и прочность, значения которых возрастают с увеличением содержания углерода в мартенсите. Временное сопротивление низкоуглеродистого мартенсита (0,025 % С) составляет 1000 МПа, а мартенсит с содержанием 0,6-0,7 % С имеет временное сопротивление 2 600-2 700 МПа. Однако с повышением в мартенсите содержания углерода возрастает и его склонность к хрупкому разрушению. Мартенсит, содержащий более 0,35-0,4 % С, имеет низкое сопротивление зарождению и распространению трещины, а также низкие значения вязкости разрушения KIс.

Увеличение удельного объема при образовании мартенсита является одной из основных причин возникновения при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию и коробление изделий, а также появление закалочных трещин. Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита протекает по смешанному механизму и имеет черты кинетики диффузионного перлитного и бездиффузионного мартенситного превращений. Изучение бейнитного превращения не предусмотрено настоящей программой.

Превращение аустенита при непрерывном охлаждении. Влияние непрерывного охлаждения на превращение аустенита можно проследить путем наложения кривых охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита (рис. 5). Из рассмотрения этих зависимостей видно, что с повышением скорости охлаждения повышается степень переохлаждения аустенита и соответственно повышается дисперсность феррито-цементитной структуры.

Можно считать, что при небольшой скорости охлаждения v1 образуется перлитная структура, при большей скорости v2 -- сорбитная структура и при еще большей скорости -- трооститная структура. Бейнитная структура при непрерывном охлаждении углеродистой стали обычно не образуется. При очень высоких скоростях охлаждения (vR, v5) весь аустенит переохлаждается до точки Мн и превращается в мартенсит. Минимальную скорость охлаждения, при которой весь переохлажденный до Мн аустенит превращается в мартенсит, называют критической скоростью закалки (vR). Промежуточная скорость охлаждения v4 соответствует формированию структуры троостит + мартенсит. При пересечении первой С-образной кривой начинается аустенита распад аустенита на троостит, но не заканчивается, т.к. кривая охлаждения не пересекает вторую С-образною кривую. Оставшаяся часть аустенита претерпевает мартенситное превращение ниже Мн.

Рис. 5. Наложение кривых охлаждения на диаграмму изотермического распада

Остаточный аустенит. Мартенситное превращение не протекает до конца при комнатной температуре, 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 точек Мн и Мк, т.е. чем выше содержание в аустените углерода и легирующих элементов (за исключением Со и А1).

Стабилизация аустенита. Если задержать на некоторое время охлаждение при температуре, лежащей ниже температуры, соответствующей точке Мн, например 20°С, то аустенит, сохранившийся не превращенным при охлаждении до этой температуры, становится более устойчивым. Количество образующегося в итоге мартенсита оказывается меньше, чем при непрерывном охлаждении.

Характерной особенностью мартенсита является его высокая твердость и прочность. Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода (рис. 6); в стали с 0,6-0,7 % С твердость мартенсита 65 HRС, что во много раз больше твердости феррита.

Рис. 6. Твердость мартенсита в зависимости от содержания в нем углерода

Временное сопротивление низкоуглеродистого мартенсита (0,025 % С) составляет ~ 1000 МПа, а при 0,6-0,8 % С достигает 2600-2700 МПа.. Однако с повышением в мартенсите содержания углерода возрастает склонность его к хрупкому разрушению. Мартенсит, содержащий свыше 0,35-0,4% С, обладает пониженным сопротивлением зарождению и развитию трещин, разрушается хрупко.

Мартенсит, по сравнению с другими структурными составляющими стали, и особенно с аустенитом, имеет наибольший удельный объем. Увеличение удельного объема при образовании мартенсита является одной из основных причин возникновения при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин.

2. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение

При нагреве под закалку большинство легирующих элементов растворяются 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 аустенитного зерна при нагреве и обеспечивают получение мелко игольчатого мартенсита при закалке. Легирующие элементу оказывают незначительное влияние на распад мартенсита только при температурах ниже 200 °С. При более высоких температурах введение в сталь Cr, Mo, W, V, Si и Ti сильно тормозит процессы распада мартенсита, образования и роста частиц карбидов. Это имеет большое практическое значение. Если в углеродистой и низколегированной стали состояние отпущенного мартенсита, обладающего высокой твердостью, сохраняется лишь до250--350 С, то в высоколегированной стали такое состояние сохраняется до 450--500°С и выше.

3. Микроструктура мартенсита

Кристаллическая решетка мартенсита, формирующегося в структуре закаленного металла, является не кубической, а тетрагональной. Каждый ее элемент имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Центральную часть такой ячейки (а также ее вершины) занимают атомы железа, во внутреннем пространстве между которыми находятся атомы углерода.

Мартенситные стали, как уже говорилось выше, отличаются высокой твердостью и прочностью, а объясняется это тем, что структура мартенсита, являясь неравновесной, характеризуется наличием сильных внутренних напряжений. В мартенситных сталях при их нагреве перераспределяются атомы углерода. Это явление носит диффузионный характер. В результате такого распределения в структуре стали формируются две фазы, каждая из которых отличается содержанием углерода и формой своей кристаллической решетки.

Такими фазами, которыми характеризуются все стали мартенситного класса при их нагреве, являются:

· феррит, в котором содержится очень незначительное количество углерода - до 0,02% (элементарные ячейки кристаллической решетки феррита имеют форму куба, вершины и центр которого образуют атомы железа; все остальное пространство в таких ячейках занимает углерод);

· цементит, в котором содержание углерода значительно выше - до 6,67% (ромбическую кристаллическую решетку цементита формируют элементарные ячейки, имеющие форму прямоугольного параллелепипеда).

Исходной структурой для образования мартенсита является аустенит. Кристаллические решетки данных образований, одновременно присутствующих в микроструктуре стали, связаны между собой ориентационными соотношениями. Заключается данная связь в том, что плоскости решеток аустенита и мартенсита, которые имеют определенные кристаллографические индексы, параллельны друг другу.

Мартенсит, формирующий микроструктуру сталей, может присутствовать в ней в двух формах.

Эта структура формируется при температуре ниже 2000. Она характерна для углеродистых илегированных сталей. Свойства мартенсита данного типа, присутствующего в структуре металла в виде пластин, определяет наличие на таких пластинах так называемого мидриба - средней линии, характеризующейся повышенной травимостью. Двойниковым данный мартенсит называют потому, что мидриб каждой его пластины образуется множеством двойников. Такие двойники, располагающиеся по плоскостям пластин мартенсита, имеют толщину 5-30 нм.

Реечный (дислокационный) мартенсит.

Это образование характерно для структуры сталей, относящихся к высоколегированным, мало- и среднеуглеродистым. Температурный порог, при котором в таких сталях происходит формирование мартенситной структуры, находится выше отметки 3000. Мартенсит данного типа в полном соответствии со своим названием имеет форму вытянутых в одном направлении реек, толщина каждой из которых находится в интервале 0,2-2 мкм (при этом их длина больше ширины примерно в 5 раз). Структура металла, сформированная из мартенсита данного типа, представлена в виде сочетания групп (пакетов) таких параллельных друг другу кристаллов-реек. В этой структуре можно увидеть и прослойки между рейками мартенсита, состоящие из остаточного аустенита. Толщина таких прослоек в сплавах разного типа может составлять от 10 до 20 нм.

При определенных условиях (в частности, когда интервал температур начала и завершения мартенситного превращения слишком большой) в сталях может сформироваться мартенсит обоих типов. Высокая температура приводит к снижению прочности аустенита, поэтому структура мартенсита, формирующегося при этом в сплаве, имеет реечную форму. При понижении температуры, когда прочность аустенита возрастает, в стали формируется мартенсит пластинчатого типа.

Существует определенная категория низкоуглеродистых сталей, в которых практически нет остаточного аустенита, а сформировавшийся мартенсит имеет только реечную форму. Температура, при которой в таких сталях наблюдаются мартенситные преобразования, составляет около 4000С.

4. Особенности мартенситного превращения в сталях

Условием для такого явления, как мартенситное превращение, выступает не фиксированная температура, а определенный температурный промежуток. Верхняя граница этого интервала соответствует температуре, которая меньше температуры начала аустенитного распада на несколько сот градусов. Окончание данного процесса происходит при температуре, которая значительно ниже комнатной. Такие условия формирования мартенсита связаны с тем, что при этом в структуре сплава присутствует еще и остаточный аустенит.

Количество мартенсита в структуре стали можно увеличить, если подвергнуть сплав пластической деформации. Это необходимо делать при температурном режиме, требующемся для мартенситного превращения. Аустенит может превращаться в мартенсит и в том случае, если сплав подвергается пластической деформации и при комнатной температуре.

Рассматриваемое образование в структуре стали может принимать форму, которая называется мартенсит отпуска. Условиями для его формирования является нагрев сплава до температуры, которая ниже, чем температура преобразования феррита в аустенит. Характерной чертой процесса, при котором образуется мартенсит отпуска, является то, что мартенсит, имеющий игольчатую или пластинчатую форму, превращается в карбидные включения сферической конфигурации.

Суть преобразования начальной структуры сплава в мартенситную заключается в том, что молекулы в составе кристаллов такого сплава начинают упорядоченно передвигаться, меняя свое расположение относительно друг друга и, соответственно, формируя кристаллические решетки новой конфигурации. Таким образом, происходит не разрушение, а только деформация ячеек кристаллической решетки, что и приводит к образованию новой структуры сплава.

Для мартенситного преобразования структуры сплава, при котором происходит не разрушение, а видоизменение кристаллических решеток ячеек, формирующих его структуру, требуется очень незначительное количество энергии. Это способствует тому, что такие изменения происходят с высокой скоростью. Результаты подобных преобразований, а также условия их протекания позволяют эффективно менять характеристики сплавов, в которых они происходят, используя для этого методы термического или механического воздействия.

Свойства сталей с мартенситной структурой.

· высокой коррозионной устойчивостью по отношению к повышенной влажности, щелочным и кислотным средам;

· высокой жаропрочностью (если сплавы данной категории подвергнуть закалке при температуре 10500, а затем выполнить отпуск на троостит или сорбит);

· такой полезной характеристикой, как самозакаливание;

· высокой твердостью при достаточно невысокой пластичности (что характерно, на твердость мартенсита, которой изначально обладают такие сплавы, практически не оказывают влияние легирующие элементы, вводимые в их состав);

· повышенной устойчивостью к воздействию водорода (этим отличаются отдельные марки таких сталей, в частности Х5М, Х5ВФ и Х9М);

· устойчивостью к обработке резанием из-за высокой твердости.

Поскольку стали с мартенситной структурой после их закалки становятся очень хрупкими и склонными к разрушению, технология их сварки значительно усложняется. Выполнять эту процедуру можно только после того, как изделие из такой стали нагреется до 200-4500, при этом важно, чтобы температура окружающего воздуха была выше нуля. Кроме ручной дуговой сварки, проводимой с использованием электродов, покрытых специальными составами, для соединения изделий из таких сплавов применяют следующие технологии:

o электрошлаковую сварку;

o сварку в среде аргона;

o сварку под защитным слоем флюса.

Если говорить о сферах применения, то стали мартенситной группы используют для производства таких изделий, как:

· корпуса и роторы для комплектации газовых, а также паровых турбин;

· детали сварочных аппаратов, сосудов различного назначения, работающих под давлением, не превышающим 16 МПа;

· диафрагмы для оснащения паровых турбин;

· детали и комплектующие для производства насосного оборудования;

· лопатки, которыми оснащаются паровые турбины;

· пружины различного назначения;

· детали трубопроводов, коллекторов, котлов, которые в процессе эксплуатации подвергаются значительному нагреву;

· инструменты различного назначения - измерительные, режущие и хирургические;

· пластины, которыми оснащают компрессоры.

Заключение

При различных видах термообработки, мартенсит очень сильно отличается по свойствам и строению от других продуктов превращений в сталях. Основная цель мартенситного превращения это закалка, которая производится для повышения твердости, прочности и износостойкости. Очень важно учитывать как и при каких условиях происходит мартенситное превращение, эти знания позволяют нам получать стали с нужными нам свойствами.

Литература

1. Арзамасов Б.Н., И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. Материаловедение: Учебник для ВТУЗов. - 2-еиздание., испр. и доп. - Москва: Машиностроение, 1986. - 384с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для ВТУЗов - 3-е изд., перераб. и доп.- Москва: Машиностроение, 1990 - 528с.

3. Мозберг Р.К. Материаловедение: Учеб. пособ. - 2-е издание, перераб - Москва Высш. шк., 1991. - 448с.

4. Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман В.М. Матюнин и др. Материаловедение и технология металлов - Москва. Высш. шк., 2000. - 639с.

Размещено на Allbest.ru