Главная / Теория термической обработки металлов / Закалка / Закалка с полиморфным превращением / Кристаллогеометрия превращения аустенита в мартенсит

Кристаллогеометрия превращения аустенита в мартенсит

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

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:

Формула

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:

Формула

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

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…