Вслед за установлением ориентационных соотношений исключительно важную роль в понимании кристаллогеометрии мартенситных превращений и внутреннего строения мартенситной фазы сыграло количественное изучение рельефа на плоской полированной поверхности образца. Появление такого рельефа всегда сопровождает мартенситное превращение.
Рельеф на исходной плоской поверхности
Рельеф на исходной плоской поверхности FGEH образца при образовании в нем мартенситной пластины ABCDLMNO (по Билби и Кристиану): STT´S´ — ломаная риска, бывшая до превращения прямой.
На рисунке плоская поверхность FGHE относится к исходному аустенитному состоянию образца. При образовании мартенситной пластины ABCDLMNO поверхность образца на участке ABCD наклоняется по отношению к ее исходной плоскости. Как показали эксперименты, линия АВ остается неповернутой, а риски типа STT´S´, которые до превращения были прямолинейными, остаются прямыми на наклонном участке поверхности ABCD и непрерывными на всей своей длине.
Так как это справедливо по отношению к любой выбранной исходной поверхности образца, то делается вывод, что в процессе мартенситного превращения габитусная плоскость мартенситного кристалла ABML (плоскость раздела мартенситной и аустенитной фаз) макроскопически приблизительно инвариантна — она не искажается и не вращается (любые отрезки на этой плоскости остаются неизменными по длине и направлению).
Инвариантность габитусной плоскости обеспечивает минимум упругих деформаций при превращении. Это особенно легко себе представить в случае превращения с одной поверхностью раздела между исходным и мартенситным кристаллом: инвариантность этой поверхности предотвращает образование упругих макродеформаций, в исходной и мартенситной фазах.
Возникает вопрос, как может реализоваться инвариантность плоскости раздела фаз, если при мартенситном превращении изменяется элементарная ячейка, т. е. деформируется сама кристаллическая решетка. Схема на рисунке помогает ответить на этот вопрос.
Виды деформации при мартенситном превращении
По Билби и Кристиану.
На рисунке,а показан участок исходной фазы до превращения, а на рисунке,6 тот же участок после превращения, состоящего в изменении типа решетки. Хорошо видно, как изменение формы и размеров элементарных ячеек, т. е. однородная деформация решетки, приводит к макроизменению формы превращенного участка.
Макроскопическое изменение формы участка исходной фазы можно получить принципиально иным путем, без изменения элементарных ячеек — пластической деформацией скольжением, а также двойникованием.
Комбинация деформации решетки (изменения элементарной ячейки) и пластической деформации, например скольжением, может сохранить неизменной исходную форму макроучастка, несмотря на прохождение фазового превращения (тип решетки на рисунке, г отличается от исходного на рисунке, а).
Естественно, что боковая поверхность габитуса кристалла новой фазы на рисунке, г является инвариантной только в макромасштабе: из-за развития скольжения на ней образовались микроскопические ступеньки.
Таким образом, важнейшее следствие из экспериментально обнаруженного факта инвариантности плоскости габитуса мартенситного кристалла состоит в том, что его образование должно заключаться не только в изменении типа кристаллической решетки, но и в одновременной пластической деформации, возникающей вследствие скольжения или двойникования.
Такая дополнительная деформация, являющаяся неотъемлемой частью механизма мартенситного превращения, обеспечивает минимум энергии упругих искажений на инвариантной поверхности раздела фаз. Этот вывод особенно важен для понимания субструктуры мартенсита (смотрите ниже Микроструктура и субструктура сплавов, закаленных на мартенсит).
Экспериментально установлены разные габитусные плоскости кристаллов мартенсита. Для сплавов на основе железа наиболее характерны плоскости габитуса {225}А, {259}А, {3, 10, 15}А и {111}А . Буква А здесь указывает, что индексы плоскости раздела двух фаз даны в кристаллографических осях решетки аустенита.
Тип плоскости габитуса зависит от состава сплава и температуры образования мартенсита. Так, например, габитус {111}А обнаружен в малоуглеродистых сталях, {225}A в сплавах железа с 0,6 — 1,4% С, а {259}А — в сплавах железа с (1,5 — 4,8% С. Габитус {3, 10, 15}А обнаружен в сплавах системы Fe — Ni при содержании 33 — 35% Ni, в сплавах Fe — 22% Ni — 0,8% С и Fe — 28% Ni — 0,4% С.
Переход от одного типа габитуса к другому не происходит скачком: с изменением состава плоскость габитуса плавно изменяется от одного характерного типа к другому, например от {259}А к {225}А в системе Fe — С. В сплавах системы Fe — Ni при уменьшении содержания никеля от 35 до 29% плоскость габитуса отклоняется от {3, 10, 15}А примерно на 10 град.
Тип габитуса связан с видом дополнительной деформации решетки при мартенситном превращении. Например, теория предсказывает, что если такая деформация идет путем двойникования по плоскости {112}м, то габитус мартенсита должен быть {3, 10, 15}А.
Образование мартенсита с габитусом {225}А происходит вследствие значительно более сложной дополнительной деформации, которая окончательно не выяснена.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков