Главная / Теория термической обработки металлов / Закалка / Закалка с полиморфным превращением / Микроструктура и субструктура сплавов, закаленных на мартенсит

Микроструктура и субструктура сплавов, закаленных на мартенсит

Микроструктура

При исследовании структуры закаленных углеродистых сталей и безуглеродистых сплавов на железной основе выявлены два главных морфологических типа мартенсита: пластинчатый и реечный.

Эти два типа мартенсита различаются формой и взаимным расположением кристаллов, субструктурой, а также габитусной плоскостью.


Игольчатый мартенсит в закаленной стали У8

Игольчатый мартенсит в за каленной стали У8

X300.


Пластинчатый мартенсит (который называют также игольчатым, низкотемпературным и двойникованным) — это хорошо известный «классический» тип мартенсита, наиболее ярко выраженный в закаленных высокоуглеродистых сталях и в безуглеродистых железных сплавах с высокой концентрацией второго компонента, например в сплавах Fe — Ni при содержании более 28% Ni.


Пластины мартенсита и остаточный аустенит в закаленном сплаве Fe — 13,9% Mn

Пластины мартенсита и остаточный аустенит в закаленном сплаве Fe — 13,9% Mn

X1000 (Краус и Мадер).


Кристаллы мартенсита имеют форму тонких линзообразных пластин. Такая форма пластин мартенсита соответствует минимуму энергии упругих искажений при образовании его в аустенитной матрице и аналогична форме механических двойников.

Попадание пластины своей большой поверхностью в плоскость шлифа — крайне редкий случай.

Произвольные сечения мартенситных пластин плоскостью шлифа при небольших увеличениях микроскопа создают ложное впечатление об игольчатой форме кристаллов. Однако исторически сложившиеся термины «крупноигольчатый» и «мелкоипгольчатый» мартенсит широко распространены.


Редкий случай расположения мартенситной пластины в плоскости шлифа

Редкий случай расположения мартенситной пластины в плоскости шлифа

Х750 (А. П. Гуляев, Е. В. Петунина).


Габитусом пластинчатого мартенсита в зависимости от состава сплава могут быть плоскости {225}A и{259}А в системе Fe — С и {3, 10, 15}А в системе Fe — Ni (смотрите Механизм мартенситного превращения).

Соседние пластины не параллельны одна другой и часто образуют фермоподобные ансамбли. Ввиду интерференции дальнодействующих полей упругих напряжений от каждой пластины такое закономерное их расположение в матричной фазе обеспечивает минимум упругой энергии суммарного поля всего ансамбля из пластинчатых кристаллов.


Фермообразное расположение пластин мартенсита

Фермообразное расположение пластин мартенсита

Фермообразное расположение пластин мартенсита и остаточный
аустенит в закаленной стали с 1,86%С. В пластинах
виден мидриб. Х550 (Краус и Мадер).


Пластины, возникающие в первую очередь (вблизи точки Мн), проходят через все аустенитное зерно, расчленяя его на отсеки. Через границу зерна матричной фазы мартенситная пластина, как следует из механизма ее образования, пройти не может, и поэтому максимальный размер мартенситных пластин ограничен размером аустенитных зерен.

В отсеках аустенита при понижении температуры образуются новые мартенситные пластины, размер которых уже ограничен размерами отсека матрицы. По мере развития превращения аустенитное зерно расчленяется на все более мелкие отсеки, в которых образуются все более мелкие мартенеитные пластины. При мелком аустенитном зерне, например при малых перегревах стали выше Ас3, пластины мартенсита столь мелки, что «игольчатое» строение на шлифе не видно и мартенсит называют бесструктурным. Такой мартенсит наиболее желателен.


Схема образования мартенситных пластин

Схема образования мартенситных пластин

Схема образования мартенситных пластин разной длины в одном аустенитном зерне.


После закалки между пластинами мартенсита при комнатной температуре сохраняется остаточный аустенит, который особенно отчетливо виден в высоколегированных железных сплавах.

В местах столкновения пластин мартенсита, растущих под углом друг к другу, могут возникать механические двойники и микротрещины.


Микротрещины в пластинах мартенсита

Микротрещины в пластинах мартенсита

Микротрещины в пластинах мартенсита закаленной стали
с 1,39% С. Х500 (Краус и Мадер).


Реечный мартенсит (который называют также массивным, высокотемпературным и недвойникованным) — это широко распространенный морфологический тип, который можно наблюдать в закаленных малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталях, большинстве конструкционных легированных сталей, сравнительно малолегированных безуглеродистых железных сплавах, например в сплавах Fe — Ni при концентрации менее 28% Ni.

Кристаллы этого мартенсита имеют форму тонких реек (планок), вытянутых в одном направлении. Реечные кристаллы расположены параллельно один другому и образуют плотный пакет, внутри которого соседние рейки разделены мало- или высокоугловыми границами. Габитусная плоскость реечных кристаллов в мартенсите сплавов железа близка к кристаллографической плоскости {111}А.

Ширина реек в пределах пакета примерно одинакова и находится в диапазоне от нескольких микрон до долей микрона (обычно 0,1 — 0,2 мкм), т. е. может находиться на пределе разрешающей способности светового микроскопа и даже за этим пределом.

Поэтому реечные кристаллы под световым микроскопом или совсем не видны, или же выявляются как тонкая структура пакетов. В связи с этим в качестве основного структурного элемента шлифа выступает пакет из реек, а не отдельные очень тонкие кристаллы. Поэтому мартенсит с такой структурой был назван массивным в отличие от игольчатого. В одном аустенитном зерне может образоваться несколько реечных пакетов.

От зерен феррита, образующихся при «нормальном» превращении, пакеты реечного мартенсита отличаются не только внутренним строением из реек, которое может не выявляться под световым микроскопом, но и изрезанными вытянутыми контурами. 


Реечный мартенсит

Реечный мартенсит

Реечный (массивный) мартенсит в закаленном сплаве Fe — 1,94%
Мо. Х200 (Краус и Мадер).


Образованию реечного (массивного) мартенсита свойственны все основные отличительные признаки мартенситного превращения, в том числе и возникновение рельефа на полированной поверхности, соответствующего внутреннему реечному строению.

«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…