Главная / Теория термической обработки металлов / Закалка / Закалка с полиморфным превращением / Кинетика мартенситных превращений

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