Мартенсит: структура, кристаллическая решетка, твердость

Общее понятие о металлах

«Химия. 9 класс» — это учебник, по которому проходят обучение школьники. Именно в нем подробно изучаются металлы. Рассмотрению их физических и химических свойств отведена большая глава, ведь разнообразие их чрезвычайно велико.

Именно с этого возраста рекомендуют давать детям представление о данных атомах и их свойствах, ведь подростки уже вполне могут оценить значение подобных знаний. Они прекрасно видят, что окружающее их разнообразие предметов, машин и прочих вещей имеет в своей основе как раз металлическую природу.

Что же такое металл? С точки зрения химии, к данным атомам принято относить те, что имеют:

малое число электронов на внешнем уровне;
проявляют сильные восстановительные свойства;
имеют большой атомный радиус;
как простые вещества обладают рядом специфических физических свойств.

Основу знаний об этих веществах можно получить, если рассмотреть атомно-кристаллическое строение металлов. Именно оно объясняет все особенности и свойства данных соединений.

В периодической системе для металлов отводится большая часть всей таблицы, ведь они образуют все побочные подгруппы и главные с первой по третью группу. Поэтому их численное превосходство очевидно. Самыми распространенными являются:

кальций;
натрий;
титан;
железо;
магний;
алюминий;
калий.

Все металлы имеют ряд свойств, которые позволяют объединять их в одну большую группу веществ. В свою очередь, эти свойства объясняет именно кристаллическое строение металлов.

Мартенситное превращение

Данный процесс протекает в стали при высоких скоростях охлаждения. Оно должно быть непрерывным в течение всей процедуры. Мартенситное превращение в стали основано на полиморфном превращении двух аллотропических модификациях железа (альфа-железа Fea и гамма-железа Feg). Обладая температурным полиморфизмом, оба эти вида железа имеют свои кристаллические решётки. Первое формируется в объёмно-центрированную кубическую решётку. Второе в гранецентрированную кубическую решётку. При нагреве стали до 911 °С вплоть до температуры плавления 1593 °С наблюдается устойчивость альфа-железа. При охлаждении со скоростью, превышающей критическую, проявляется эффект преобразования. В этот период аустенит превращается в мартенсит. Механизм этого процесса обладает следующими особенностями:

Бездиффузионный характер проявляется благодаря существующему сдвиговому механизму. Благодаря ему атомы кристаллической решётки смещаются на небольшое расстояние, которое по величине меньше межатомных связей. Происходит изменение формы кристаллической решётки. Самодиффузии атомов железа не происходит.
Образовавшиеся кристаллы мартенсита приобретают геометрическую форму пластин. К краю пластины наблюдается уменьшение линейного размера. Поэтому мартенситная структура кристаллов называется игольчатая. Процесс образования пластины заканчивается в двух случаях: на границе зерна аустенита, или при её изломе. Последующие пластины будут образовываться под углом 60° или 120°. Такое образование называется когерентный рост, который протекает при минимальной поверхностной энергии. Однако из-за различия структуры и объёма аустенита и мартенсита в стали наблюдается возникновение больших напряжений. Они достигают величины предела текучести аустенита. Это приводит к отрыву решётки мартенсита от решётки аустенита и когерентность нарушается, что приводит к остановке роста кристаллов.
Абсолютные смещения атомов при мартенситном превращении могут достигать относительно больших размеров в межатомных связях (по сравнению с макроскопическими размерами). Это является следствием действия сдвигового механизма. Происходит изменение формы аустенита и образования на поверхности характерной игольчатой структуры.
Несмотря на разницу кристаллических решёток мартенсита и аустенита, между ними существует некоторое кристаллическое соответствие. Оно выражается в ориентационном сходстве.
Наиболее часто встречающейся формой кристалла после мартенситного преобразования является пластина или так называемая линза. Толщина каждой из них сравнима с остальными геометрическими размерами, сохраняя сложное внутреннее строение. Полученная форма мартенситного кристалла при превращении сохраняет минимум упругой энергии.
Процесс образования кристаллов протекает при очень высоких скоростях. Она может достигать 1000 м/с. По результатам проведенных оценок время формирования кристаллов при мартенситном превращении не превышает 10-7 секунды. Это усложняет процесс контроля над образованием мартенсита.
Сам процесс мартенситного превращения протекает только при быстром непрерывном охлаждении. Температура мартенситного превращения зависит от марки стали (то есть её состава). Температуру начала образования мартенсита обозначают индексом Мн, а температуру конца Мк. Этот температурный интервал в основном зависит от количества, содержащегося в стали углерода. Он не зависит от скорости процесса охлаждения.

Процесс мартенситного превращения не заканчивается полным образованием мартенсита. В стали остаётся остаточный аустенит. Его количество повышается при снижении точки начала превращения.

МАРТЕНСИТ

МАРТЕНСИТ

– структура сплавов, возникающая при их термической обработке при быстром охлаждении. В железоуглеродистых сплавах (сталях и чугунах) мартенсит возникает при содержании углерода более 0,3% при закалке в воде. Перед закалкой сталь нагревается до температур, обеспечивающих переход феррита и перлита в аустенит (выше 723° С). Также по теме: СПЛАВЫ

У мартенсита игольчатая микроструктура, высокая твердость и прочность, низкая пластичность.

Физический механизм образования мартенсита принципиально отличается от механизма других процессов, происходящих в стали при нагреве и охлаждении. Другие процессы диффузионны, т.е. атомы перемещаются с малой скоростью, например, при медленном охлаждении аустенита создаются зародыши кристаллов феррита и цементита, к ним в результате диффузии пристраиваются дополнительные атомы и, наконец, весь объем приобретает перлитную или феррито-перлитную структуру. Мартенситное превращение бездиффузионно, атомы перемещаются с большой скоростью по сдвиговому механизму, скорость распространения составляет тысячи м/с.

Диаграмма состояния железо – углерод соответствует равновесным превращениям в сплавах при медленном нагреве и охлаждении, поэтому мартенситной области на диаграмме нет.

Кристаллическая структура мартенсита тетрагональна, элементарная ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда, атомы железа расположены в вершинах и центре ячейки, атомы углерода в объеме ячеек. Структура неравновесна, и в ней есть большие внутренние напряжения, что в значительной степени определяет высокую твердость и прочность сталей с мартенситной структурой.

При нагреве сталей с мартенситной структурой происходит диффузионное перераспределение атомов углерода. В стали возникают две фазы – феррит, содержащий очень мало углерода (до 0,03%) и цементит (6,67% углерода). Элементарная ячейка феррита имеет форму куба, атомы железа расположены в вершинах и в центре куба (объемноцентрированная структура), цементит имеет ромбическую структуру. Элементарная ячейка цементита имеет форму прямоугольного параллелепипеда.

Кристаллическая решетка мартенсита связана постоянными кристаллографическими соотношениями с решеткой исходной структуры аустенита, т.е. плоскости с определенными кристаллографическими индексами в структуре мартенсита параллельны плоскостям с определенными индексами в структуре аустенита. Соотношение между кристаллографическими направлениями в решетках мартенсита и аустенита аналогично.

Мартенситное превращение при охлаждении происходит не при постоянной температуре, а в определенном интервале температур, при этом превращение начинается не при температуре распада аустенита в равновесных условиях, а при на несколько сотен градусов ниже. Оканчивается превращение при температуре значительно ниже комнатной. Таким образом, в интервале температур мартенситного превращения в структуре стали, наряду с мартенситом, есть и остаточный аустенит.

При пластической деформации стали при температурах мартенситного превращения количество мартенсита увеличивается. В некоторых случаях так же влияет упругая деформация.

Кроме железоуглеродистых сплавов, мартенситное превращение наблюдается и в некоторых других, например, сплавах на основе титана.

Лев Миркин

Применение мартенситных марок стали

В мартенситные стали добавляют легирующие элементы, чтобы получить нужные свойства сплавов: прочность, износостойкость, хладо-жаропрочность, коррозийную стойкость. В одной марке легированной стали может быть до 7 легирующих элементов. Стали легируют никелем, хромом, азотом, вольфрамом, бериллием, ванадием, кремнием, молибденом, медью, бором.

Обычно в обозначении стали зашифрованы легирующие добавки и их количество (38ХН3МФА), некоторые экспериментальные шифруются буквой Э. В этом случае буква не отражает состава стали – ЭИ, ЭП3. Иногда стали, предназначенные для изготовления выпускных авиационных и автомобильных клапанов, называют сокращенно – сильхромы.

Легированные мартенситные стали способны противостоять агрессивным среда: кислотам, щелочам, солям, агрессивным газам. По применению мартенситные стали бывают коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные и стали специального назначения.

Коррозионностойкие марки сталей (15Х28, 20Х13, 12Х18Н9) применяют на опытных производствах, в химической промышленности.

Жаростойкие марки сталей (ХН60Ю, 12Х25Н16Г7АР, (15Х6СЮ) используют для изготовления деталей, которые работают под умеренной нагрузкой при температурах до 1000 градусов.

Изделия из жаропрочных марок сталей (15Х6СЮ, 08Х13, 14Х17Н2) могут работать под нагрузкой весьма длительный и длительный период при высоких температурах.

К специальным сталям можно отнести стали, из которых катают броневой сэндвич. Отдельное место занимает сталь Гадфильда (1,1% углерода, 13% магния). При работе в условиях высоких давлений происходит самопроизвольная пластическая деформация и соответственно увеличивается степень ее прочности. Уникальные механические свойства пока не до конца изучены.

Магнитные свойства мартенситной стали

У мартенситной структуры кристаллической решетки стали ярко выражены магнитные свойства. Мартенсит – ферромагнетик в чистом виде. Однако выдержать идеальный химический состав сложно. Углеродистые мартенситные стали, легированные молибденом, кобальтом и хромом (ЕХ9К15М2), кобальтом и хромом (ЕХ5К6), хромом (ЕХ3) можно отнести магнитотвердыми материалами.

Легирование кобальтом наиболее эффективно с точки зрения магнетизма – у атомов кобальта присутствует магнитный момент, таким образом, остаточная индукция мартенсита возрастает. Низкая цена и легкость механической и термической обработки дает возможность применения мартенситных сталей в магнитных системах в качестве переключателей для изменения направления при подаче управляющих сигналов.

Свариваемость мартенситных сталей

Технологии сварки мартенситных сплавов усложняются повышенной хрупкостью металла после закалки. Эти типы стали варят после предварительного нагрева примерно от 200 до 450 градусов, температура окружающей среды не должна быть отрицательной. Обычно детали из стали мартенситной группы сваривают методами ручной дуговой сварки электродами, покрытыми специальными составами. Иногда используют и другие виды сварки: аргонодуговые, электрошлаковые, под флюсом.

Область применения

Обладая специфическими, а в некоторых случаях уникальными свойствами стали мартенситной группы применяются для изготовления деталей, работающих в сложных технических и химических условиях. Из них изготавливают:

элементы газовых и паровых турбин (в частности роторы, диафрагмы, лопатки и корпуса);
детали сварочных аппаратов;
сосуды высокого давления, которые должны выдерживать 16 МПа;
комплектующие насосов высоко давления;
пружины способные выдерживать большие нагрузки;
отдельные детали котлов, трубопроводов, коллекторов по которым проходит жидкость с высокой температурой или пар;
инструменты различного назначения (режущие, измерительные, обрабатывающие);
медицинские инструменты и отдельные части оборудования.

Структура и свойства

Кристаллическая структура мартенсита тетрагональна, элементарная ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда, атомы железа расположены в вершинах и центре ячейки, атомы углерода в объёме ячеек. Структура неравновесна, и в ней есть большие внутренние напряжения, что в значительной степени определяет высокую твёрдость и прочность сталей с мартенситной структурой.

При нагреве сталей с мартенситной структурой происходит диффузионное перераспределение атомов углерода. В стали возникают две фазы — феррит, содержащий очень мало углерода (до 0,02 ) и цементит (6,67 % углерода). Элементарная ячейка феррита имеет форму куба, атомы железа расположены в вершинах и в центре куба (объемноцентрированная структура), цементит имеет ромбическую структуру. Элементарная ячейка цементита имеет форму прямоугольного параллелепипеда.

Кристаллическая решётка мартенсита связана постоянными кристаллографическими соотношениями с решёткой исходной структуры аустенита, то есть плоскости с определёнными кристаллографическими индексами в структуре мартенсита параллельны плоскостям с определёнными индексами в структуре аустенита. Соотношение между кристаллографическими направлениями в решётках мартенсита и аустенита аналогично.

Мартенситное превращение

Основная статья: Мартенситное превращение

Мартенситное превращение при охлаждении происходит не при постоянной температуре, а в определённом интервале температур, при этом превращение начинается не при температуре распада аустенита в равновесных условиях, а несколькими сотнями градусов ниже. Оканчивается превращение при температуре значительно ниже комнатной. Таким образом, в интервале температур мартенситного превращения в структуре стали, наряду с мартенситом, есть и остаточный аустенит.

При пластической деформации стали при температурах мартенситного превращения количество мартенсита увеличивается. В некоторых случаях также влияет упругая деформация. Возможно превращение аустенита в мартенсит при комнатных температурах под действием пластической деформации.

Кроме железоуглеродистых сплавов, мартенситное превращение наблюдается и в некоторых других, например, сплавах на основе титана (сплавы типа ВТ6, ВТ8, ВТ14), меди (бронзы типа БрАМц 9-3).

Мартенситные точки

Основной характеристикой сплавов при определенном режиме закалке является мартенситные точки.

Температура начала мартенситных превращений обозначается Мн. При достижении температуры охлаждения стали значений Мн начинается мгновенный лавинообразный процесс перекристаллизации стали. Температура Мн определяется для каждой марки стали экспериментальным путем на металлургических предприятиях. Значение Мн снижается от увеличения количества углерода и легирующих элементов в составе стали.

Температура конца мартенситных превращений обозначается Мк. В промежутке значений температур между Мн и Мк происходит бездиффузная перестройка кристаллической решетки стали. При достижении температуры Мк бездиффузная перекристаллизация прекращается. Для высокоуглеродистых легированных сталей она может быть отрицательной.

Практика термической обработки сталей на мартенсит

На крупносерийных и массовых производствах для закалки стальных изделий используют автоматические конвейерные линии, на которых производится полный цикл получения необходимой мартенситной структуры для определенных марок стали.

В инструментальных цехах и на опытных производствах инструмент и детали закаляют вручную путем нагрева инструмента в муфельных печах, в ваннах с маслами, солями или расплавленными металлами. Охлаждение производится в разных средах: воде, масле, воздухе. Параметры температур и процесса закалки разрабатывает технолог согласно техническим нормам и марочникам стали.

Поверхностный нагрев осуществляют в тех случаях, когда нужно повысить прочность наружных слоев изделий при сохранении мягкой сердцевины. Поверхностная закалка производится в генераторах высокой частоты.

В зависимости от требуемой температуры нагрева применяют различные соли или смеси солей; так при высокотемпературных нагревах (1000-1300 градусов), используют расплавленный хлористый барий, при нагревах до 750-950 градусов используют смеси солей хлористого бария, хлористого калия и хлористого натрия. При низкотемпературных нагревах 300-550 градусов используют смеси калиевой и натриевой селитр.

В качестве охлаждающих сред при закалке на мартенсит чаще всего применяют жидкие среды различной охлаждающей способности. Обычно используют воду, а скорость отвода теплоты увеличивают добавлением едкого натра. К более мягким охладителям относятся масла – минеральные и трансформаторные.

Виды закалки на мартенсит

Непрерывная, или закалка в одной среде.
Закалка в двух средах.
Ступенчатая закалка.
Обработка холодом.

После нагревания стального изделия до температуры аустенитной фракции, его резко охлаждают либо в воде (самый простой вариант), либо в подогретых маслах, либо на воздухе в зависимости от состава стали. При таком способе охлаждения появляются коробления, а иногда и трещины.

Во избежание рисков используют закалку в двух средах. После нагрева изделие погружают в воду, некоторое время выдерживается, и затем дальнейшее охлаждение до температуры до Мк происходит в более мягкой среде. Этот способ походит для серийных производств.

При ступенчатой схеме охлаждения, сталь, погружают в охлаждающую жидкость, с температурой, превышающей Мп на 60-100 градусов, выдерживают расчетное время, и в дальнейшем охлаждают на спокойном воздухе. Такому виду охлаждения подвергают малогабаритный инструмент из средне- и низколегированных сталей.

К охлаждению в холоде (жидком азоте) обычно прибегают в случаях, когда Мк для марки стали оказывается ниже нуля. Это высоколегированные углеродистые марки, используемые для изготовления мерительного инструмента и элементов подшипников качения.

Структура – мартенсит

Структура мартенсита образуется при быстром охлаждении в результате перехода решетки твердого раствора у-железа ( аусте-нита) в решетку твердого раствора а-железа ( феррита) без выделения углерода из раствора. Переход у-железа в а-железо сопровождается изменением объемов кристаллических решеток, что вызывает появление внутренних, дополнительных напряжений. Мартенсит представляет собой пересыщенный раствор углерода в а-железе с искаженной кристаллической решеткой. Сплав со структурой мартенсита обладает большой твердостью и прочностью.

Схема бейнитного превращения.

Структура мартенсита после этих видов превращения различна.

Структура мартенсита в низко – и среднеуглеродистых сталях имеет форму реек ( реечный мартенсит), вытянутых в одном направлении. В высокоуглеродистых сталях мартенсит образует пластины, которые в плоскости шлифа имеют вид игл.

Структура мартенсита неустойчива: при нагреве выше 200 С мартенсит стремится перейти в более устойчивую структуру – троостит-сорбит и, наконец, при температуре выше 720 С – в самую устойчивую структуру – перлит.

Структура мартенсита представляет собой пластины в виде игл, ориентированных относительно старой фазы аустенита параллельно или под определенными углами.

Структура мартенсита в сварном соединении не опасна при сварке и в эксплуатации, если правильно выбран способ сварки, присадочный материал, пе нарушены оптимальные условия технологии изготовления сварного изделия, устранены концентраторы напряжения путем создания плавных переходов от шва к основному металлу или созданы благоприятные условия в сварном соединении, снижающие чувствительность к концентраторам напряжения: применение аустенитных присадок или поверхностная обработка путем наклепа. Сварное соединение ненадежно, если шов выполнен низколегированной проволокой, обеспечивающей мартенситно-ферритную структуру шва, или аустенитной проволокой типа Св – 06Х18Н9Т, Св – 13Х25Н18, Св – 08Х20Н10Г6 с малым запасом аустенитности. Такой шов имеет аустенитно-мартенситную структуру ( высокоуглероднстый мартенсит), обладает низкой пластичностью п ударной вязкостью и не надежен в эксплуатации при повторных статических нагрузках.

Структура мартенсита образуется в результате перехода решетки твердого раствора у-железа ( аустенита) в решетку твердого раствора сс-железа ( феррита) без выделения углерода из раствора. Переход у-железа в а-железо сопровождается изменением объемов кристаллических решеток, что вызывает появление внутренних дополнительных напряжений. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе с искаженной кристаллической решеткой. Сплав со структурой мартенсита обладает большой твердостью и прочностью.

Структура мартенсита характеризуется незначительным размером зерна, часто имеет игольчатое строение.

Структура мартенсита бывает разнообразной по виду в зависимости от состава стали и условий закалки.

Структура мартенсита при этом переходит в троосто-сорбитные формы и далее в аустенит. Температура контакта резца со стружкой при выделении значительного количества тепла настолько высока, что развиваются молекулярные силы слипания ( адгезии), особенно со стороны стружки, и наблюдается оплавление тонких слоев. При этом размягчившиеся поверхностные слои обработанной поверхности и лунки уносятся движущейся по передней поверхности резца стружкой.

Структура мартенсита, образова1вшегося при температуре выше комнатной, имеет игольчатые кристаллы без признаков внутреннего двойникования. Авторы указанной работы считают, что двойники, присутствующие в пластинах мартенсита, уменьшают число возможных систем скольжения и тем самым увеличивают прочность мартенсита. С последним выводом не согласны И. Н. Бо-гачев с сотрудниками , которые считают, что двойники дополнительно не упрочняют мартенсит сталей переходного класса.

Зависимость твердости стали от содержания углерода в.| Наверху – наибольшая твердость закаленной стали в зависимости от содержания углерода в ней ( по Бернсу, Муру и Арчеру. внизу – изменение числа элементарных ячеек мартенсита, на долю которых приходится по одному атому углерода в зависимости от содержания его в стали.

Структура мартенсита отличается тонким блочным строением, что в значительной мере определяет высокое сопротивление закаленной стали пластической деформации.

Углерод: много в аустените – мало в феррите

Как известно аустенит имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую (ГЦК) структуру, феррит – объемно-центрированную кристаллическую (ОЦК) структуру. Фазовая диаграмма стали показывает, что ГЦК структура – аустенит – будет растворять намного больше углерода, чем ОЦК структура – феррит. При температуре А1 количество углерода, которое может раствориться в аустените – в 38,5 раза (0,77/0,02 = 38,5) больше, чем в феррите.

Дело в том, что атомы углерода намного меньше, чем атомы железа. Растворенные атомы углерода располагаются в промежутках между относительно большими атомами железа. ОЦК структура способна «поглотить» больше атомов углерода, так как некоторые промежутки между атомами в этой структуре значительно больше, чем любые промежутки в ГЦК структуре.

1 Что такое мартенсит?

Под мартенситом понимают игольчатую микроструктуру, которая фиксируется в отдельных чистых металлах, имеющих склонность к полиморфизму, и металлических сплавах, прошедших процедуру закалки. По сути, мартенсит – это базовый структурный компонент стали после закалки, который является твердым пересыщенным упорядоченным раствором углерода в α-железе.
Впервые он был описан Марком Мартенсом – известным специалистом в области проблем, связанных с усталостью различных металлических материалов. Именно в его честь и был назван мартенсит.

Кристаллическая решетка интересующего нас углеродного раствора в α-железе является тетрагональной. Каждая из ее элементарных составляющих описывается формой параллелепипеда (прямоугольного). В центре и вершинах ячейки при этом размещаются атомы железа, а в объемах ячеек расположены атомы углерода. Высокие прочностные показатели и твердость, коими описывается любая мартенситная нержавеющая сталь, обуславливаются неравновесной структурой мартенсита, характеризуемой существенными внутренними напряжениями.

При нагреве мартенситного металла отмечается перераспределение (диффузионное) атомов углерода, что приводит к формированию двух фаз:

цементита (в этой фазе углерод содержится в количестве 6,67 %);
феррита (содержание углерода в ней – не более 0,02 %).

Элементарная ячейка первой из означенных фаз описывается ромбической структурой, вторая – объемно-центрированной. Решетка начальной структуры аустенита связана кристаллографическими постоянными соотношениями с решеткой мартенсита. Это означает, что плоскости с четко заданными кристаллографическими индексами аустенитной и мартенситной структуры параллельны друг другу.

Принято выделять два типа мартенсита:

Как влияет наличие остаточного аустенита на свойства стали?

Тема 10. Структурные превращения при закалке. Виды и способы закалки. Понятие о прокаливаемости.

Структурные превращения при закалке.

Как происходит бездиффузионное превращение аустенита?

При больших степенях переохлаждения возрастает термодинамическая неустойчивость аустенита, скорость диффузии углерода резко падает. При переохлаждении аустенита в эвтектоидной стали до

240 ºC подвижность атомов углерода близка к нулю, и происходитбездиффузионное превращение аустенита. При этом меняется лишь тип решетки γ→α, а весь углерод (0,8%), ранее растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита, несмотря на то, что равновесная концентрация углерода в феррите при комнатной температуре не превышает 0,006 %. В результате образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе.

10.1. 2. Какая структура называется мартенситом? Охарактеризуйте кристаллическую структуру мартенсита? Из-за пересыщенности углеродом решетка пересыщенного твердого раствора в Fe α сильно искажена и вместо кубической приобретает тетрагональную форму, при которой отношение параметров решетки существенно отличается от единицы, т.е. с/а≠1(Рис.1). Такая структура называется мартенситом.

Мартенсит -пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе с тетрагональной решеткой. Чем больше углерода, тем выше степень тетрагональности мартенсита. Такая структура при рассмотрении под микроскопом имеет игольчатый вид.

Рис. 1. Тетрагональная кристаллическая ячейка мартенсита.

Пластины мартенсита растут до границы аустенитного зерна либо до имеющего в стали дефекта. Последующие пластины мартенсита, расположенные под углом к первым, ограничены размерами первичных пластин мартенсита и границами аустенитных зерен. Кристаллическая решетка новой фазы мартенсита закономерно ориентирована относительно исходной фазы – аустенита. При практически мгновенном γ→α переходе атомы смещаются упорядоченно, строго ориентированно на расстояния, меньшие межатомных. При этом сохраняется общая сопрягающая плоскость решеток γ- и α-Fe – так называемая когерентная связь. Из-за когерентности сопряжения решеток и различия удельных объемов фаз (аустенита и мартенсита) мартенситное превращение приводит к возникновению больших внутренних напряжений.

Какую твердость имеет мартенсит? Чем обусловлена высокая твердость мартенсита?

Мартенсит имеет высокую твердость (до 65 НRC) и прочность, значения которых возрастают с увеличением содержания углерода в мартенсите. Временное сопротивление низкоуглеродистого мартенсита (0,25 %С) составляет 1000 МПа, а мартенсит с содержанием 0,6-0,7 %С имеет временное сопротивление 2600-2700 МПа. Однако с повышением содержания углерода в мартенсите возрастает и его склонность к хрупкому разрушению.

Высокая твердость мартенсита обусловлена искажениями кристаллической решетки и соответственно большими внутренними напряжениями, определяемыми растворенным углеродом, а также возникновением фазового наклепа за счет увеличения объема при превращении аустенита в мартенсит. В результате этого плотность дислокаций в мартенсите достигает уровня холоднодеформируемой стали и равняется 1010-1012 см -2

При каких температурах начинается и заканчивается мартенситное превращение? От каких факторов зависит температура начала и конца мартенситного превращения?

Мартенситное превращение идет в интервале температур начала и конца мартенситного превращения Мн и Мк (рис.2). Положение точек Мн и Мк не зависит от скорости охлаждения, но зависит от содержания углерода в стали. Для эвтектоидной стали оно начинается при 240 и заканчивается при –50 ºC. Однако при этой температуре в стали сохраняется еще некоторое количество не превращенного, так называемого остаточного аустенита. Охлаждение ниже температуры Мк не приводит к его окончательному распаду.

Рис. 2. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали.

Как влияет наличие остаточного аустенита на свойства стали?

Наличие остаточного аустенита нежелательно, так как приводит к неоднородности свойств по сечению деталей и изменению размеров деталей при его распаде.

Особенности образования

Аустенит – это структура, которая формируется в процессе нагревания стали. При достижении критической температуры перлит и феррит образуют целостное вещество.

Варианты нагревания:

Равномерное, до достижения необходимого значения, непродолжительная выдержка, охлаждение. В зависимости от характеристик сплава, аустенит может быть как полностью сформирован, так и частично.
Медленное повышение температуры, длительный период поддержания достигнутого уровня теплоты с целью получения чистого аустенита.

Свойства полученного разогретого материала, а также того, который будет иметь место в результате охлаждения. Очень многое зависит от уровня достигнутого тепла

Важно не допустить перегрев или перепал

Мартенситные трансформации в полиморфных кристаллах

Аналогичные мартенситные превращения, когда атомы не меняются местами, а только смещаются друг относительно друга на расстояния, меньшие, чем межатомные (сокращение межатомных связей и изменение углов между ними), наблюдаются не только в сплавах железа, но и в других полиморфных кристаллах.

Такие превращения, их еще называют метаморфозными, имеют место в сталях, чистых металлах: железе, кобальте, титане, литии, как минимум в 35 металлах, в твердых растворах на их основе, в полупроводниках и в полимерах, в интерметаллидах.

В отличие от нормальных равновесных полиморфных превращений мартенситные превращения бездиффузны и метастабильны. Эти превращения носят неравновесный характер. Физика металлов гласит: неравновесные состояния должны быть саморганизованными.

С точки зрения второго закона термодинамики мартенситные трансформации в веществах происходят с убыванием энтропии. Это означает, что кристаллические структуры таких превращений являются результатом самоорганизации, а их параметры приближаются к сверхкритическим.

Структура интерметаллида моноалюминида никеля после мартенситного превращения способна выдерживать температуры до 1300 градусов при высоких нагрузках, но из-за повышенной хрупкости применяется только в качестве жаростойкого покрытия газотурбинных двигателей.

Некоторые интерметаллиды с мартенситными структурами, имеющими в своем составе, платину используют в качестве катализаторов в производстве азота. В связи с ужесточением экологических норм для автомобилей ведутся разработки по дожиганию продуктов сгорания с применением интерметаллидов.

На кристаллах некоторых полупроводников (кремний, германий) можно наблюдать прямые или обратные бездиффузные фазовые переходы состояний. Эксперименты по термообработке кремниевых пластин были реализованы на производстве с 20% экономическим эффектом.

Исследуя процесс обратимости мартенситных трансформаций на перекристаллизации сплава TiNi (интерметаллида), обнаружено изменение размеров образцов.

Эффект памяти

Дальнейшие эксперименты с различными материалами показали, что многие полиморфные кристаллы могут проявлять такие свойства как эффект памяти формы, сверхупругость и сверхпластичность.

Деформация и ее уменьшение или даже полное восстановление исходных форм при обратном протекании мартенситных превращений названо эффектом памяти формы. А все явления, связанные с мартенситными превращениями в веществах объединены под одним названием «необычные физико-механические свойства».

Эффект памяти формы уже сегодня используется в гидравлических муфтах в кораблестроении и авиации, в демпфирующих приспособлениях, в термореле, в медицине для лечения сколиоза, соединения сломанных костей, в хирургии сердца, в стоматологии.

Мартенситное превращение[править | править код]

Кроме железоуглеродистых сплавов, мартенситное превращение наблюдается и в некоторых других материалах, например, сплавах на основе титана (сплавы типа ВТ6, ВТ8, ВТ14), меди (бронзы типа БрАМц 9-3), материалах с памятью формы, оксидных материалах (ZrO2).

Мартенсит

Общее понятие о металлах

Мартенситное превращение

МАРТЕНСИТ