Главная / Теория термической обработки металлов / Закалка / Закалка с полиморфным превращением / Условия реализации «нормального» и мартенситного превращений

Условия реализации «нормального» и мартенситного превращений

В чистых металлах и твердых растворах на их основе, как уже отмечалось полиморфное превращение может протекать путем или неупорядоченной перестройки решетки, или реализации мартенситного механизма превращения. Основные условия, необходимые для проявления того или иного механизма превращения высокотемпературной модификации в низкотемпературную, проанализированы Г. В. Курдюмовым.

Если температура стабильного равновесия двух модификаций чистого металла достаточно высока (например, 91 °С у железа, 882,5 °С у титана, 865 °С у циркония и 660 °С у урана), то могут реализоваться оба механизма перестройки решетки. При сравнительно малых переохлаждениях, когда подвижность атомов достаточно высока, идет «нормальное» полиморфное превращение с самодиффузионной, неупорядоченной перестройкой решетки.

Мартенситное превращение при малых переохлаждениях идти не может и поэтому не составляет конкуренции «нормальному» превращению. Объясняется это тем, что при неупорядоченной перестройке решетки упругая деформация кристаллов исходной фазы обусловлена только изменением удельного объема, а при мартенситном превращении — также и когерентностью решеток исходной фазы и мартенситного кристалла.

Большая величина ∆Fупр при мартенситном превращении требует большого термодинамического стимула (∆Fоб) для развязывания превращения и, следовательно, большего переохлаждения высокотемпературной модификации, чем это необходимо для развития «нормального» превращения.

С ростом степени переохлаждения скорость неупорядоченной перестройки решетки возрастает, достигает максимума и затем падает в соответствии с С-кривой (смотрите рисунок Диаграмма изотермического превращения). При сравнительно больших переохлаждениях, когда разность свободных энергий двух модификаций становится достаточной, чтобы шло мартенситное превращение, оно происходит намного раньше, чем успеет начаться очень вялое при низкой температуре «нормальное» превращение.

Например, у чистого железа (при содержании 0,0015% С) температура Мн равна 750 °С, что соответствует степени переохлаждения около 160 °С. При переохлаждении γ-железа до температур, находящихся в интервале 911 — 750 °С, протекает «нормальное» γ → α-превращение, а ниже 750 °С — мартенситное γ → α-превращение.

У металлов с высокой температурой равновесия модификаций не всегда легко получить такие большие степени переохлаждения, которые необходимы для начала мартенситного превращения. Так, например, для реализации мартенситного механизма полиморфного превращения в железе образцы следует сильно перегревать в γ-области и очень быстро охлаждать, чтобы подавить развитие «нормального» превращения при меньших степенях переохлаждения.

Если у чистого металла температура равновесия двух модификаций сравнительно низкая (например, 400 °С у кобальта и — 196 °С у лития), то из-за малой подвижности атомов реализуется только мартенситное превращение, а неупорядоченная перестройка решетки вообще не наблюдается.

В твердых растворах на базе полиморфных металлов реализация того или иного механизма превращения зависит от того, как легирующий элемент изменяет температуру равновесия двух модификаций. Например, при легировании железа никелем и марганцем можно так сильно понизить температуру равновесия двух фаз, что нормальное γ → α-превращение становится невозможным и наблюдается только мартенситная перестройка решетки.

Противоположный случай
— легирование кобальта элементами, которые так повышают температуру равновесия двух модификаций, что, кроме мартенситного превращения, идущего при достаточно большом переохлаждении, становится возможным и «нормальное» превращение (при малых степенях переохлаждения).

«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…