Закалка углеродистых сталей приводит к резкому снижению всех показателей пластичности. Относительное удлинение и сужение закаленных высокоуглеродистых сталей равны нулю. В то время, когда считалось, что мартенситное превращение протекает только в сталях, обычно подчеркивалось, что мартенсит тверд, но хрупок.
Когда же обнаружили мартенситное превращение в безуглеродистых железных сплавах и сплавах цветных металлов, то оказалось, что хрупкость не является общим свойством, присущим любому мартенситу. Теперь установлено, что низкое сопротивление хрупкому разрушению мартенсита в сплавах железа связано с присутствием в о.ц.к. решетке элементов внедрения — углерода и азота.
Основная причина резкого охрупчивания при закалке углеродистых сталей — малая подвижность дислокаций в мартенсите, содержащем углерод. Это вызвано, во-первых, повышенным сопротивлением решетки раствора внедрения скольжению дислокаций и, во-вторых закреплением дислокаций атмосферами из атомов углерода. Из-за низкой подвижности дислокаций не происходит релаксации напряжений у вершины хрупкой трещины вследствие микропластической деформации, чем и объясняется низкое сопротивление мартенсита распространению трещины.
Зарождению хрупких трещин способствует локальная концентрация микронапряжений около скоплений дислокаций в мартенсите. Следовательно, мартенсит углеродистых сталей обладает пониженным сопротивлением зарождению и особенно низким сопротивлением развитию хрупких трещин. В высокоуглеродистых сталях микротрещины можно увидеть сразу же после закалки, еще до приложения внешней нагрузки (смотрите рисунок Микротрещины в пластинах мартенсита).
Картина резко меняется, если углерод вывести из состава сплава. Так называемые мартенситно-стареющие стали, являющиеся безуглеродистыми сплавами железа с никелем, кобальтом, молибденом и титаном (о них смотрите в Структурных изменениях при отпуске сталей), после закалки на мартенсит отличаются высокими показателями пластичности (δ = 14 / 20%, ψ = 70 / 80%) и высокой ударной вязкостью (αн = 27 / 30 кгс * м/см2).
Эти сплавы в закаленном состоянии можно обрабатывать при комнатной температуре давлением с высокими обжатиями, в то время как закаленную высокоуглеродистую сталь из-за хрупкости вообще невозможно обработать давлением при комнатной температуре.
Высокие показатели пластичности безуглеродистых железных сплавов после закалки на мартенсит объясняются следующим. В мартенсите при плотности дислокаций, доходящей до 1012 см—2, для закрепления всех дислокаций требуется концентрация углерода около 0,2%. Поэтому в закаленных мартенситностареющих сталях, содержащих не более 0,03% С, имеются незакрепленные дислокации.
Никель и кобальт, содержащиеся в большом количестве в этих сталях (например, сталь с 18% Ni и 8% Со), увеличивают подвижность дислокаций в мартенсите, так как они понижают сопротивление решетки мартенсита скольжению дислокаций (уменьшают силу Пайерлса — Набарро) и уменьшают степень закрепления дислокаций атомами примесей углерода и азота. Высокая подвижность дислокаций в железоникелевом мартенсите обеспечивает разрядку напряжений у вершины трещины, повышая сопротивление хрупкому разрушению.
Если отвлечься от проблемы хрупкости твердых растворов с о. ц. к. решеткой, содержащих элементы внедрения, то следует заметить, что закаленные на мартенсит металлы и сплавы в общем могут иметь довольно высокие показатели пластичности, хотя после мартенситного превращения из-за повышенной плотности дефектов решетки показатели пластичности должны быть ниже, чем после полиморфного превращения с неупорядоченной перестройкой решетки.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков