Принципиальное отличие кинетики изотермического мартенситного превращения от неупорядоченного фазового состоит в том, что мартенситное превращение не доходит до полного исчезновения исходной фазы, т. е. сохраняется остаточный аустенит.
Количество изотермически образующегося мартенсита колеблется от долей процента до десятков процентов в зависимости от состава сплава, условий его предшествующей обработки и температуры изотермической выдержки. Например, на рисунке Изотермическое превращение аустенита в мартенсит показано, что после 9 ч выдержки при температуре — 50 °С образуется около 1% мартенсита, а при — 120 °С — более 60%.
Эксперименты показывают, что нельзя резко отграничить атермическое и взрывное превращения от изотермических. В сплавах, для которых характерна атермическая кинетика, после быстрого «атермического» образования определенной порции мартенсита при охлаждении до заданной температуры может изотермически образоваться дополнительное его количество.
После мартенситного «взрыва» также может образоваться значительное количество «изотермического» мартенсита при температурах ниже температуры взрыва. Небольшое количество мартенсита может изотермически образоваться и при температурах чуть выше температуры взрыва.
Кристаллы мартенсита независимо от типа кинетики превращения растут с громадной скоростью при любых температурах, в том числе и при температурах глубокого холода. По изменению электросопротивления, сопровождающему образование каждой пластины, были определены скорость ее роста и время формирования. Скорость роста пластин мартенсита (в плоскости пластины) оказалась порядка 1 км/с независимо от температуры превращения.
Мидриб мартенситных пластин в сплавах Fe — Ni образуется за время порядка 10—7 с, а вся пластина (после более медленного ее утолщения) — за ~ 10—6 с. Для сравнения укажем, что «взрыв» продолжается 10—4 — 10—3 с.
После чрезвычайно быстрого формирования рост мартенситного кристалла прекращается. Нарастание количества мартенсита с понижением температуры при атермическом и взрывном превращениях или с увеличением времени выдержки при изотермическом превращении происходит вследствие образования новых кристаллов, а не роста ранее образовавшихся. Скоростная микрокиносъемка наглядно демонстрирует эту важнейшую особенность мартенситного превращения.
Характерная черта кинетики всех мартенситных превращений — их автокаталитичность: образование первых пластин влечет появление рядом с ними новых пластин, которые способствуют появлению еще большего числа пластин и т. д., вследствие чего процесс некоторое время развивается как цепная реакция. Именно этим объясняется ускорение образования мартенсита на первых стадиях изотермического превращения (смотрите рисунок Мартенситные превращения, в и Изотермическое превращение аустенита в мартенсит ).
Если к началу изотермической выдержки уже образовался, хотя бы и в небольшом количестве, мартенсит в объеме или на поверхности образца, то он стимулирует развитие изотермического превращения, которое сразу начинается с максимальной скоростью. На мартенситной кривой в этом случае отсутствует начальный участок ускорения превращения.
Автокаталитичность процесса наиболее ярко проявляется при взрывном превращении.
Мартенситный взрыв — результат того, что образование одной пластины вызывает немедленную цепную реакцию появления серии пластин. Причиной автокаталитичности считают поле упругих напряжений у кромки растущей пластины мартенсита, которое способствует появлению новых пластин.
Ярко выраженный взрыв происходит тогда, когда пластины имеют габитус {259}. Показано, что именно при таком габитусе у кромки пластины мартенсита возникают высокие напряжения в аустените, стимулирующие появление новых пластин. При образовании мартенситных пластин с габитусом {225} взрыва не наблюдается. Поэтому мартенсит с габитусом пластин {259} и характерным двойникованным мидрибом иногда называют взрывным мартенситом.
Резкой разницы между взрывным и обычным атермическим превращением не существует. Если при изменении состава, например увеличении содержания никеля в сплавах Fe — Ni — С, габитус постепенно меняется от {225} до {259}, то одновременно возрастает и величина взрыва — количество взрывообразно возникающего мартенсита.
При изменении состава сплава происходит постепенный переход от атермического к ярко выраженному взрывному превращению. Например, в системе Fe — Ni при содержании 29% Ni превращение характеризуется типично атермической кинетикой, а при содержании 31 и 32% Ni — взрывной, причем величина взрыва у сплава с 32% Ni больше, чем у сплава с 31% Ni (смотрите рисунок Мартенситные кривые).
Взрывное превращение можно рассматривать как разновидность атермического, когда автокаталитичность процесса особенно ярко выражена. В свою очередь атермическое превращение принципиально не отличается от изотермического. Обе эти разновидности кинетики мартенситных превращений, как показано Г. В. Курдюмовым, следует рассматривать на основе единых представлений о температурной зависимости скорости зарождения центров превращения.
Поскольку скорость роста кристаллов мартенсита независимо от температуры громадная, то наблюдаемое с понижением температуры сначала увеличение, а затем уменьшение скорости изотермического превращения (рисунок Изотермическое превращение аустенита в мартенсит и С-диаграмма изотермического превращения аустенита) обусловлено только температурной зависимостью скорости зарождения кристаллов мартенсита.
Скорость зарождения мартенсита, как и при любом фазовом превращении, J = Ае —ΔFкр/kT e—Q/kT (смотрите формулу). При температуре Т0 метастабильного равновесия исходной фазы и мартенсита разность свободных энергий этих фаз (ΔFоб на рисунке Зависимость свободных энергий) равна нулю и превращение не идет.
С понижением температуры эта разность, являющаяся термодинамическим стимулом превращения, нарастает и работа образования зародыша мартенсита (ΔFкр) уменьшается, что приводит к ускорению мартенситного превращения и сокращению инкубационного периода. С дальнейшим понижением температуры подвижность атомов становится настолько малой, что, несмотря на большую величину ΔFоб и соответственно малую работу образования зародышей, их появление тормозится.
В некоторой промежуточной области еще не слишком низких температур уменьшение работы образования зародышей может привести к столь быстрому превращению, что ни инкубационный период, ни изотермичность превращения (его развитие во времени) не удается экспериментально зафиксировать.
В зависимости от состава сплава и абсолютного значения Т0 можно встретить разные экспериментально наблюдаемые случаи. Например, если точка Т0 низка, то при любых температурах обнаруживается изотермичность превращения (рисунок Изотермическое превращение аустенита в мартенсит и С-диаграмма изотермического превращения аустенита), так как при любых температурах в мартенситном интервале скорость превращения сравнительно невелика. Если же температура T0 находится значительно выше комнатной, то изотермическое превращение можно наблюдать только в области температур вблизи точки Мн и при сравнительно низких температурах (обычно отрицательных, реже — комнатной).
Между этими интервалами температур, где экспериментально наблюдается изотермическое превращение, может находиться область температур, в которой изотермическое превращение протекает с громадной скоростью и поэтому создается впечатление об отсутствии изотермичности. С этих позиций не исключено, что собственно атермического превращения вообще не существует, так как оно является обычным изотермическим превращением, протекающим с громадной скоростью при каждой температуре в период закалочного охлаждения.
Именно поэтому в сплавах, для которых в целом характерна «атермическая» кинетика, часто в той или иной степени обнаруживается изотермическое образование мартенсита при остановке охлаждения.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков