Механизм мартенситного превращения

Кооперативный характер атомных перемещений при перестройке решетки

«Мгновенность» образования пластин мартенсита даже при низких температурах, быстрое прекращение их роста, вполне определенная строгая ориентировка решетки мартенсита по отношению к решетке аустенита, прекращение превращения при остановке охлаждения и другие особенности привели в начале тридцатых годов к распространенному представлению, что мартенситное превращение не имеет никакого отношения к обычным фазовым превращениям и, следовательно, не развивается путем образования и роста зародышей мартенсита.

Но уже в 1932 г. А. А. Бочвар отметил, что все явления фазовых превращений, в том числе и мартенситных, следует объяснять на основе понятий о центрах превращения и скорости их роста, а особенности мартенситных превращений следует связывать с условиями, в которых они развиваются. Более поздние исследования подтвердили справедливость этой точки зрения.

Очень метко замечание Г. В. Курдюмова о том, что на первом этапе изучали особенности, отличающие мартенситные превращения от других превращений, а на втором этапе пришлось выяснять то общее, что они имеют с другими превращениями.

Механизм перестройки решетки при мартенситном превращении описан в классических работах Г. В. Курдюмова: «Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются друг относительно друга на расстояния, не превышающие межатомные».

Отсутствие обмена атомов местами означает бездиффузионность превращения аустенита в мартенсит, отсутствие диффузионного перераспределения компонентов в аустените, неизменность концентрации углерода в процессе превращения. Отсутствие диффузионного перераспределения атомов разного сорта само по себе не является отличительной особенностью мартенситного механизма превращения.

В чистом металле, например железе, состоящем из атомов одного сорта, при полиморфном превращении вообще не может быть и речи о таком перераспределении. Однако и в чистом металле механизм полиморфного превращения в определенных условиях может быть мартенеитным, отличающимся от механизма «нормального» превращения.

При нормальном полиморфном превращении в чистом металле кристаллы новой модификации растут вследствие неупорядоченных, взаимно не связанных перемещений атомов. Отрываясь в результате термической активации от решетки исходной модификации, например γ-железа, атомы присоединяются к решетке новой модификации, например α-железа, и в результате граница кристалла α-железа сравнительно медленно мигрирует в сторону γ-железа: новая фаза «поедает» материнскую фазу.

Такое независимое одно от другого неупорядоченное перемещение атомов на границе раздела фаз напоминает самодиффузию, и поэтому процесс фазового превращения можно назвать самодиффузионным, неупорядоченным. В этом отношении он похож на самодиффузионный процесс роста кристаллов при рекристаллизации обработки и отличается от него лишь происхождением термодинамического стимула.

В случае рекристаллизации обработки разность свободных энергий исходных и новых зерен является следствием большей дефектности строения исходных (деформированных) зерен той же фазы, а при полиморфном превращении термодинамическим стимулом является разность свободных «химических» энергий двух фаз с различной кристаллической решеткой. Как и рекристаллизация, самодиффузионное полиморфное превращение может идти только при достаточно высоких температурах.

Мартенситный механизм перестройки решетки отличается кооперативным, взаимосвязанным характером перемещений атомов на расстояния меньше межатомных (без свойственного самодиффузии обмена атомов местами), причем соседи любого атома в исходной фазе остаются соседями этого же атома в новой, мартенситной фазе.

В случае, если исходная фаза является твердым раствором, как аустенит, мартенситный механизм предопределяет отсутствие диффузионного перераспределения атомов разного сорта в момент превращения.

«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…