Температура начала мартенситного превращения

Мартенситное превращение не может начинаться при любом сколь угодно малом переохлаждении относительно температуры Т0. Здесь существует аналогия с полиморфным превращением в однокомпонентной системе (смотрите Термодинамика фазовых превращений). Образование кристалла мартенсита связано не только с понижением объемной свободной энергии (∆Fоб на рисунке Зависимость свободных энергий), но и с появлением поверхностной энергии (∆Fпов) и, что особенно важно, энергии упругой деформации (∆Fупр), препятствующих превращению.

Энергия упругой деформации возникает, во-первых, из-за изменения удельного объема при фазовом превращении (при γ → α-превращении в сплавах на основе железа удельный объем возрастает примерно на 4%) и, во-вторых, из-за когерентности решеток мартенсита и исходной фазы (об этом подробнее смотрите в Мезанизме мертенситного превращения).

Результирующее уменьшение свободной энергии системы ∆F = — ∆Fоб + ∆Fпов + ∆Fупр. Для начала мартенситного превращения необходимо настолько переохладить аустенит ниже температуры метастабильного равновесия его с мартенситом, чтобы термодинамический стимул превращения (∆Fоб) достиг необходимой величины.

Поэтому температура начала мартенситного превращения (мартенситная точка Мн) всегда находится ниже температуры Т0 (смотрите рисунки Зависимость температуры равенства и Зависимость свободных энергий). В системе Fe — С разность свободных энергий аустенита и мартенсита ∆Fоб, которую необходимо достигнуть, чтобы началось мартенситное превращение, составляет 300 — 350 кал/моль, а соответствующая разность температур Т0 — MH ≈ 200 / 250 °С (смотрите рисунок Зависимость температуры равенства).

Температура Мн может служить характеристикой сплава определенного состава (при данном режиме предварительной обработки). Горизонталь при температуре Мн на рисунке С-диаграмма с мартенситными точками указывает, что мартенситное превращение в данной стали начинается при одной и той же температуре независимо от скорости охлаждения.

Недавние исследования показали, что по достижении очень больших скоростей охлаждения температура Мн все же изменяется, но не снижается, как это происходит с температурой нормального превращения при ускорении охлаждения, а возрастает. Так, в стали с 0,5% С при скорости охлаждения менее 6600 град/с температура Мн практически постоянна и равна 370 °С. С увеличением скорости охлаждения от 6600 до 16500 град/с точка Мн поднимается с 370 до 460 °С и далее с ускорением охлаждения не меняется. Этому можно дать следующее объяснение.


Зависимость температуры

Зависимость температуры

Зависимость температуры начала мартенситyого превращения (Мн )
от скорости охлаждения при закалке (υохл) в сплавах железа с
0,5 и 0,7% С (Ансел, Донэчи, Мэслер).


При скоростях охлаждения в сотни и тысячи градусов в секунду аустенит находится в переохлажденном состоянии выше точки Мн в течение времени порядка десятых долей секунды — секунд. За это время быстрая сегрегация очень подвижных атомов углерода успевает образовать равновесную концентрацию его на дефектах решетки аустенита, создавая тем самым его максимальное упрочнение.

В таком аустените мартенситное превращение предельно затруднено, температура Мн минимальна и не зависит от скорости охлаждения в некотором диапазоне скоростей, в том числе и при обычных скоростях закалки (смотрите левый горизонтальный участок кривых на рисунке).

Начиная с некоторой скорости охлаждения, указанная сегрегация углерода в аустените успевает проходить все в меньшей степени и точка Мн поднимается. Наконец, при очень больших скоростях охлаждения время пребывания стали в аустенитном состоянии выше точки Мн становится столь мало (порядка сотых долей секунды), что сегрегация углерода на дефектах решетки аустенита в период закалки практически полностью подавляется и не влияет на мартенситное превращение — точка Мн постоянна (смотрите правый горизонтальный участок кривых на рисунке).

Состав сплава обычно сильно влияет на температуру начала мартенситного превращения.

Так, в системе Fe — Ni увеличение содержания никеля на несколько процентов смещает точку Мн в область температур ниже 0 °С:

Ni, % 18 22,5 29 31 32
Мн, С + 280 + 163 — 10 — 63 — 97

С повышением содержания углерода в стали точка Мн сильно снижается: в сталях, содержащих менее 1% С, она находится выше 200 °С, а при содержании углерода около 2% близка к комнатной температуре (смотрите рисунок Зависимость температур).

Содержание углерода в стали и в аустените не всегда одинаковое, так как углерод входит в состав карбидов. Карбиды, сосуществующие с аустенитом, сами по себе не влияют на точку Мн. При повышении температуры закалки, когда карбиды растворяются в аустените и концентрация углерода в нем возрастает, точка Мн снижается.

Изменение состава влияет на температуру начала мартенситного превращения, так как меняется температура Т0, а также степень переохлаждения Т0 — Мн.

В частности, добавки, увеличивающие модуль упругости матрицы (аустенита), затрудняют образование мартенсита: ∆Fупр растет и соответственно степень переохлаждения Т0 — Мн увеличивается.

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

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…

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…

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…