Главная / Теория термической обработки металлов / Закалка / Закалка с полиморфным превращением / Особенности мартенситного превращения в углеродистых сталях

Особенности мартенситного превращения в углеродистых сталях

Мартенситное превращение было открыто при изучении закалки сталей. Ниже кратко рассмотрены наиболее характерные особенности мартенситного превращения в углеродистых сталях, которые более наглядно предстают при сравнении с перлитным превращением. 

1. Мартенситное превращение протекает при быстром охлаждении углеродистой стали с температур выше Au например в воде, когда подавлен диффузионный распад аустенита на смесь двух фаз (феррита и карбида), резко отличающихся то составу от исходного аустенита. Концентрация углерода в мартенсите такая же, как и в исходном аустените.

Следовательно, в отличие от перлитного превращения мартенситное превращениебездиффузионное.

2. Превращение аустенита в мартенсит при охлаждении начинается с определенной для каждой марки стали температуры или Ms (в индексе стоят первые буквы слов «начало — start»). Температура начала мартенситного превращения не зависит от скорости охлаждения в очень широком диапазоне скоростей, в то время как температура начала перлитного превращения снижается с ростом скорости охлаждения (смотрите Диффузионные превращения аустенита при охлаждении).

В отличие от перлитного мартенситное превращение невозможно подавить даже при самых больших достигнутых скоростях охлаждения. Мартенситообразование происходит в определенном интервале температур между верхней мартенситной точкой Мн и нижней мартенситной точкой, обозначаемой Мк, или Mf, (в индексе стоят первые буквы слов «конец — finish»).

На С-диаграмме превращений переохлажденного аустенита при температурах Мн и Мк проходят горизонтали, указывающие на начало и конец мартенситного превращения. Зависимость температур начала и конца мартенситного превращения от содержания углерода показана на рисунке.


С-диаграмма с мартенситными точками

С-диаграмма с мартенситными точками

С-диаграмма с мартенситными точками для стали с 0,8% С;

А — устойчивый;
Ап — переохлажденный;
Аост — остаточный аустенит;
Мрт — мартенсит;
Ф — феррит;
К — карбид.


Зависимость температур

Зависимость температур

Зависимость температур начала (Мн) и конца (Мк) мартенситного
превращения от содержания углерода в системе Fe — С.


3. При температуре Мн превращение только начинается, появляются первые кристаллы мартенсита. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать углеродистую сталь в мартенситном интервале Мн — Мк. Если охлаждение приостановить и выдерживать углеродистую сталь при постоянной температуре внутри этого интервала, то образование мартенсита почти сразу же прекращается.

Эта особенность наиболее ярко отличает кинетику мартенситного превращения от перлитного, которое, как показывает С-диаграмма, всегда доходит до конца при постоянной температуре ниже точки А и т. е. оканчивается полным исчезновением аустенита, если время изотермической выдержки достаточно велико. После мартенситного превращения даже при охлаждении стали до температуры Мк, сохраняется некоторое количество остаточного аустенита.

4. В отличие от перлитного мартенситное превращение в углеродистой стали не имеет инкубационного периода. Длина горизонтали Мк на рисунке никакого физического смысла как отрезок времени, в течение которого идет мартенситное превращение, не имеет. Горизонталь Мк отмечает температуру, ниже которой чрезвычайно быстро, практически «мгновенно», образуется некоторое количество мартенсита.

5. В средне- и высокоуглеродистых сталях мартенсит образуется в форме пластин, растущих с громадной скоростью (порядка 1 км/с) при любых температурах, в том числе и ниже 0 °С. После «мгновенного» образования мартенситная пластина не растет. Количество мартенсита при охлаждении ниже точки Мн увеличивается не вследствие подрастания уже образовавшихся пластин, а в результате «мгновенного» возникновения все новых и новых пластин. Эта особенность также резко отличает мартенситное превращение от перлитного. В процессе развития перлитного превращения не только образуются новые, но и растут ранее образовавшиеся колонии (смотрите риунки Образование колоний эвтектоида в одном зерне аустенита и Схема зарождения и роста двух перлитных колоний).

6. Между решетками кристаллов мартенсита и исходного аустенита имеется определенное ориентационное соотношение, закономерная ориентировка решетки мартенсита по отношению к решетке аустенита, в то время как при перлитном превращении решетки фаз, входящих в эвтектоидную смесь, могут быть и произвольно ориентированы по отношению к решетке исходного аустенитного зерна.

7. При мартенситном превращении в углеродистых сталях на плоской полированной поверхности образца образуется характерный рельеф, свидетельствующий об изменении формы превращенного объема аустенита. При перлитном превращении такой рельеф не возникает. Характерный рельеф на исходной плоской поверхности образца может служить главным внешним признаком мартенситного превращения.

Мартенситное превращение, открытое при изучении закалки углеродистых и легированных сталей, как выяснилось впоследствии, является одним из фундаментальных способов перестройки кристаллической решетки, свойственным самым разным классам кристаллических веществ: чистым металлам, безуглеродистым сплавам на основе железа, сплавам цветных металлов, полупроводниковым соединениям и др.

Для теории термической обработки наиболее важны исследования мартенситных превращений в системах Fe — С (рисунок Диаграмма состояния Fe — С) и Fe — Ni (смотрите ниже рисунок Зависимость температур). В обеих системах главные структурные изменения в твердом состоянии связаны с полиморфизмом базового компонента — железа (γг.ц.к → αо.ц.к.). Углерод растворяется в γ- и α-модификациях железа по способу внедрения, а никель — по способу замещения.

В системе Fe — С при комнатной температуре высокотемпературная модификация твердого раствора (аустенит) ни при каких концентрациях не стабильна, а в системе Fe — Ni при достаточно высокой концентрации никеля высокотемпературная модификация раствора при комнатной температуре абсолютно стабильна (смотрите аналогичные системы на рисунке Системы с различными фазовыми превращениями,а,б).

Обе системы представляют исключительно большой практический интерес: Fe — С как основа сталей, а Fe — Ni как основа сравнительно молодой группы высокопрочных мартенситно-стареющих сплавов (смотрите Стрктурные измениния при отпуске сталей).

Ниже, на примере этих и других систем, рассмотрены закономерности и механизм мартенситных превращений, строение и свойства сплавов, закаленных на мартенсит.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Охлаждение при закалке

Режим охлаждения при закалке должен прежде всего обеспечить необходимую глубину прокаливаемости. С другой стороны, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали сильные закалочные напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температур по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных…

Способы закалки

Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650 — 400 °С и медленное охлаждение выше и главным образом ниже этого интервала, то применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения. Закалка через воду в масло Закалка через воду в масло (закалка в двух средах): 1 — нормальный режим;…

Закалка с обработкой холодом

Во многих сталях мартенситный интервал (Мн — Мк) простирается до отрицательных температур (смотрите рисунок Зависимость температур). В этом случае в закаленной стали содержится остаточный аустенит, который можно дополнительно превратить в мартенсит, охлаждая изделие до температур ниже комнатной. По существу такая обработка холодом (предложена в 1937 г. А. П. Гуляевым) продолжает закалочное охлаждение, прерванное при комнатной…

Поверхностный нагрев под закалку

Многие изделия должны иметь высокую поверхностную твердость, высокую прочность поверхностного слоя и вязкую сердцевину. Такое сочетание свойств на поверхности и внутри изделия достигается поверхностной закалкой. Для поверхностной закалки стального изделия необходимо нагреть выше точки Аc3 только поверхностный слой заданной толщины. Этот нагрев должен совершаться быстро и интенсивно, чтобы сердцевина вследствие теплопроводности также не прогрелась до…

Нагрев и охлаждение при закалке сталей

Сквозной нагрев под закалку Превращения в стали при нагревании описаны в Образовании аустенита при нагревании. Температуры нагрева под закалку углеродистых сталей можно выбрать по диаграмме состояния. Доэвтектоидные стали закаливают с температур, превышающих точку А3 на 30 — 50 °С. Наследственно мелкозернистая сталь допускает более высокий нагрев. При перегреве наследственно крупнозернистой стали закалка дает структуру крупноигольчатого…