Для понимания строения мартенсита в сталях необходимо знать кристаллогеометрию перестройки г. ц. к. решетки аустенита в объемноцентрированную тетрагональную решетку мартенсита, близкую к о. ц. к. решетке α-железа.
Следующее простое изменение формы элементарной ячейки аустенита, известное в литературе как деформация Бейна, позволяет составить представление о характере кристаллогеометрии мартенситного превращения в стали.
Деформация Бейна
Деформация Бейна, превращающая решетку аустенита (а)
в решетку мартенсита (б).
На рисунке, а показаны две соседние кубические элементарные ячейки г. ц. к. решетки аустенита. Атомы железа, отмеченные кружками, расположены в вершинах кубов и центрах их граней. Атомы углерода, растворенного в γ-железе по способу внедрения, статистически равномерно занимают часть октаэдрических пустот г. ц. к. решетки1.
Октаэдрические пустоты, помеченные крестиками, находятся на серединах ребер и в центре объемов кубических ячеек. Все эти пустоты структурно эквивалентны, неразличимы.
В г. ц. к. решетке аустенита можно мысленно выделить не только кубическую, но и тетрагональную элементарную ячейку (на рисунке, а она показана жирными линиями). В этой тетрагональной ячейке аустенита отношение периодов (с/а) = √2 в то время как у решетки мартенсита экспериментально установленная степень тетрагональности (с/а) < 1,09.
Деформация Бейна, простейшим способом превращающая решетку аустенита в решетку мартенсита, состоит в сжатии тетрагональной ячейки аустенита вдоль ее оси с и одновременном увеличении размеров вдоль осей а.
В г. ц. к. решетке аустенита атомы углерода статистически равномерно распределены по октаэдрическим пустотам вдоль направлений трех ребер куба [100], [010] и [001].
Но в той же самой решетке аустенита атомы углерода избирательно расположены по отношению к направлениям ребер тетрагональной ячейки: они находятся только на середине ребер вдоль оси [001] и в центре горизонтальных граней тетрагональной ячейки, т. е. тоже вдоль направления [001].
По окончании превращения внедренные атомы углерода продолжают располагаться в решетке мартенсита в октаэдричееких пустотах только вдоль направления [001], не занимая пустот в направлении [100] и [010]. Находясь между атомами железа в рядах, параллельных оси [001], атомы углерода не позволяют деформации Бейна превратить г. ц. к. решетку в о. ц. к. с отношением периодов, равным единице. Степень тетрагонального искажения решетки мартенсита растет прямо пропорционально концентрации в нем углерода.
Подвижность атомов углерода даже при комнатной температуре достаточна, чтобы по окончании превращения они смогли перераспределиться и занять ближайшие свободные октаэдрические пустоты вдоль направлений [100] и [010] с одновременным исчезновением тетрагональности.
Для этого достаточно диффузионных перемещений на очень малые расстояния — в пределах одной элементарной ячейки.
Однако в действительности решетка мартенсита сохраняет тетрагональность при комнатной температуре. Теоретический анализ, выполненный А. Г. Хачатуряном, показал, что между атомами углерода в мартенсите стали существует такое деформационное взаимодействие, которое делает термодинамически выгодным их упорядоченное распределение с предпочтительным расположением вдоль одной из кристаллографических осей.
Таким образом, тетрагональное искажение решетки мартенсита отвечает минимуму свободной энергии благодаря минимизации энергии упругой деформации решетки, связанной с внедренными атомами углерода, при их упорядоченном расположении.
С повышением температуры дальний порядок в расположении атомов углерода должен был бы исчезнуть. Но этому препятствует упруго-напряженное состояние кристалла мартенсита в матрице остаточного аустенита. Благодаря ему дальний порядок в пересыщенном твердом растворе углерода в α-железе (мартенсите) сохраняется при всех температурах, при которых мартенсит еще не претерпевает распада.
Важную роль в развитии представлений о механизме мартенситного превращения сыграло установление рентгеновским методом ориентационных соотношений решеток исходной и мартенситной фаз.
Для сплавов железа известны три главных ориентационных соотношения решеток аустенита и мартенсита: Курдюмова — Закса, Нишиямы и Гренингера — Трояно.
Ориентационное соотношение Курдюмова — Закса (пример — углеродистые стали с 0,6 — 1,4% С) можно записать в следующей форме:
Такого рода взаимная ориентация решеток легко объяснима: плоскость плотнейшей упаковки {111} в г. ц.к. решетке наиболее близка по атомному строению к плоскости плотнейшей упаковки {110} в о. ц. к. решетке, а направление плотнейшей упаковки <110> в г. ц. к. решетке наиболее близко по атомному строению к направлению плотнейшей упаковки <111> в о. ц. к. решетке.
Подобная взаимная ориентация решеток наиболее полно удовлетворяет принципу структурного соответствия. Так как в г.ц.к. решетке аустенита имеется четыре кристаллографически эквивалентных плоскости типа {111}, а именно (111), (111), (111), (111), и шесть кристаллографически эквивалентных направлений типа <110>, то относительно одного положения кристалла аустенита возможны 24 ориентации кристаллов мартенсита, удовлетворяющие соотношению Курдюмова — Закса.
Ориентационное соотношение Нишиямы (пример — сплавы железа с 27 — 34% Ni) можно записать в форме:
Соотношение Гренингера — Трояно (пример — сплав Fe — 22% Ni — 0,8%С) является промежуточным между соотношениями Курдюмова — Закса и Нишиямы.
Деформация Бейна, наглядно пояснившая, как с помощью кратчайших атомных смещений г. ц. к. решетка аустенита может превратиться в объемноцентрированную тетрагональную решетку мартенсита, одна не в состоянии привести, например, к 24 ориентациям Курдюмова — Закса, так как ребра элементарной ячейки мартенсита остаются параллельными ребрам исходной тетрагональной ячейки аустенита.
Для получения ориентационного соотношения Курдюмова — Закса необходимы более сложные траектории атомных перемещений, чем при деформации Бейна. Истинные траектории движения атомов при мартенситном превращении неизвестны.
Формально все экспериментально обнаруженные ориентационные соотношения решеток аустенита и мартенсита можно получить, дополнив деформацию Бейна поворотом решетки мартенсита, при котором становятся параллельными соответствующие плоскости и соответствующие направления в решетках исходной и мартенситной фаз.
1 Для упрощения помечены не все положения атомов железа и углерода.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков