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

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…