Кинетика мартенситных превращений

Разновидности кинетики

Условно можно выделить три типа мартенситных превращений, различающихся своей кинетикой: атермическое, взрывное и полностью изотермическое.


Мартенситные превращения

Изотермическое мартемситные превращения

Атермическое (а), взрывное (б) и полностью изотермическое
мартемситные превращения (в).


Атермическое превращение наблюдается в углеродистых и легированных сталях с мартенситной точкой Мн выше 100 °С, взрывное — в сплавах систем Fe — Ni и Fe — Ni — С с точкой Мн ниже комнатной температуры и полностью изотермическое — в сплавах систем Fe — Ni — Мn и Fe — Ni — Сr с точкой Мн также ниже комнатной температуры.

Соотношение между количеством мартенсита и аустенита, которое характеризуют кривые на рисунке, определяют магнитометрически (по отклонению стрелки магнитометра), используя то, что аустенит парамагнитен, а мартенсит ферромагнитен, а также по изменению электросопротивления и дилатометрическим методом. 


Мартенситные кривые

Мартенситные кривые

Мартенситные кривые γ → α превращения при непрерывном охлаждении сплавов железа с никелем (М. Д. Перкас, В. М. Кардонский): 1 — 29% Ni, Мн = — 10 °C; 2 — 31%Ni, Мн = — 63 °С; 3 — 32% Ni, Мн = — 97 °С.


Атермическое превращение характеризуется плавным нарастанием количества мартенсита при непрерывном понижении температуры в мартенситном интервале Мн — Мк. Остановка охлаждения приводит к практически полному прекращению превращения.

Когда образец в аустенитном состоянии перебрасывают в ванну с температурой ниже Мн, превращение идет c очень большой скоростью за те несколько секунд, в течение которых температура образца выравнивается и становится одинаковой с температурой ванны. Во время последующей изотермической выдержки мартенсит не образуется, несмотря на большое количество исходной фазы (аустенита) или, точнее, скорость изотермического превращения аустенита ничтожно мала (отсюда и название — «атермическое» превращение).

Темп нарастания количества мартенсита с понижением температуры сравнительно слабо зависит от состава стали. У большого числа малолегированных сталей в интервале степеней превращения примерно от 10 до 50% этот темп равен 0,76 — 1,4% мартенсита на 1°С.

Количество остаточного аустенита после закалки с охлаждением до комнатной температуры зависит от состава исходного аустенита и фактически связано с положением верхней мартенситной точки. С увеличением содержания углерода точка Мн снижается (смотрите рисунок Зависимость температур) и количество остаточного аустенита при комнатной температуре возрастает. Например, при закалке из аустенитного состояния в сталях с 0,6 и 1,2% С это количество равно соответственно 2 и 20%.

Остаточный аустенит сохраняется и при температурах ниже точки конца мартенситного превращения Мк. По достижении этой точки мартенситная кривая становится горизонталью, соответствующей некоторому практически неизменному соотношению количеств мартенсита и остаточного аустенита.

Атермическое превращение представляет наибольший практический интерес, так как в отличие от взрывного и полностью изотермического, характерных главным образом для области отрицательных температур, оно протекает при температурах выше комнатной, т. е. в обычных условиях закалки промышленных сплавов.

Взрывное превращение характеризуется скачкообразным (взрывообразным) появлением определенного количества мартенсита при температуре точки Мн или несколько ниже.

Количество мартенсита, образовавшегося взрывообразно, зависит от состава сплава и положения точки Мн, колеблясь от нескольких процентов до примерно 70%. Взрыв сопровождается звуковым эффектом (отчетливо слышимым щелчком) и временным повышением температуры, иногда на 30 °С, из-за быстрого выделения скрытой теплоты превращения.


Изотермическое превращение аустенита в мартенсит

Изотермическое превращение аустенита в мартенсит

Изотермическое превращение аустенита в мартенсит при разных температурах
в сплаве Fe — 23,4% Ni — 3,3% Мn (О. П. Максимова, А. И. Никонорова).


Полностью изотермическое превращение по своей кинетике внешне напоминает нормальное фазовое превращение (смотрите рисунок Кинетика фазового превращения при постоянной температуре). При изотермической выдержке после некоторого инкубационного периода мартенситное превращение развивается с ускорением, а затем с постоянным затуханием во времени.

Как и при обычном фазовом превращении, скорость изотермического мартенситного превращения и инкубационный период зависят от температуры. Так, например, в сплаве железа с 23,4% Ni, 3,3% Мn и 0,06% С мартенситное превращение ускоряется с уменьшением температуры от — 50 до — 120 °С и замедляется при дальнейшем понижении температуры.

Инкубационный период сокращается с понижением температуры до — 120 °C и далее возрастает. Это позволяет строить С-кривые изотермического мартенситного превращения, аналогичные обычным С-кривым неупорядоченного фазового превращения. 


С-диаграмма изотермического превращения аустенита

С-диаграмма изотермического превращения аустенита

С-диаграмма изотермического превращения аустенита в мартенсит в сплаве Fe — 23,4% Ni — 3,3% Mn. Цифры на С-кривых указывают количество образовавшегося мартенсита, % (О. П. Максимова, А. И. Никонорова).


Так как имеется инкубационный период, изотермическое мартенситное превращение можно полностью предотвратить, применив быстрое охлаждение аустенита до очень низких температур.

Так, в тех железных сплавах, для которых характерно изотермическое мартенситное превращение, его можно подавить быстрым охлаждением образцов до температуры жидкого азота (—196 °С). При последующем отогреве аустенит испытывает изотермическое мартенситное превращение со скоростью, зависящей от температуры.

«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…