15 Вопрос

Мартенсит. Структура мартенсита

М артенсит (от имени немецкого металлурга Адольфа Мартенса; Adolf Martens, 1850-1914) - микроструктураигольчатого вида, наблюдаемая в некоторых закалённых металлических сплавах и чистых металлах, которым свойственны полиморфные превращения. Мартенсит – основная структурная составляющая закалённой стали; представляет собой перенасыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе такой же концентрации, как и у исходногоаустенита. Мартенситной структуре соответствует наиболее высокая твёрдость стали.

С превращением мартенсита при нагреве и охлаждении связан "эффект памяти" металлов и сплавов: в своё время Г.В. Курдюмов и Л.Г. Хандрос (1949 г.) обнаружили явление, названное ими "термоупругий мартенсит", заключающееся в том, что локальная деформация, возникшая при прямом превращении, полностью исчезает при обратном. Этот эффект оказался практически важным, и, используя его, был создан новый класс сплавов, обладающих так называемым "эффектом памяти формы". Если сплав продеформировать при температуре ниже точки Мн, т.е. в мартенситном состоянии, а затем нагреть выше точки Ан (т.е. вызвать обратное превращение по мартенситному механизму), то сплав примет прежнюю до деформации форму.

Мартенсит не представлен на диаграмме состояния железо-углерод, потому что это метастабильная фаза.

Для мартенсита характерна особая микроструктура. Кристаллы мартенсита представляют собой пластины, расположенные параллельно или пересекающиеся под определёнными углами (60 и 120 градусов). В плоскости шлифа эти пластины имеют вид иглы, поэтому для описания вида микроструктуры мартенсита вполне применим термин "игольчатость" - "крупноигольчатый мартенсит", "мелкоигольчатый мартенсит" и т.д.

Различают атермический мартенсит, образовавшийся при охлаждении, и изотермический мартенсит, образующийся при постоянной температуре.

Итак, в стали к образованию объёмноцентрированной кубической фазы - мартенсита - приводит резкая закалка аустенита (γ-железа, имеющего ГЦК-решётку). В присутствии углерода мартенсит имеет объёмноцентрированную тетрагональную решётку (ОЦТ), степень тетрагональности которой зависит от содержания углерода. Образование мартенсита происходит в результате бездиффузного (мартенситного) превращения. Вопросы перераспределения атомов углерода в решётке мартенсита стали рассмотрены в [2].

16 Вопрос: Выбор температуры закалки.

В зависимости от температуры нагрева закалка может быть полной и неполной. В случае, если нагрев производится выше линии GSE диаграммы (точки асз и Аcm), то полученная при этом однофазная структура аустенита при охлаждении со скоростью больше некоторой критической превращается в чистый мартенсит. Такую закалку называют полной. При неполной закалке нагрев стали осуществляется выше линии РSК(точка Ac1), но ниже линии GSE. При этом в доэвтектоидных сталях образуется структура аустенит + феррит, а в заэвтектоидных - аустенит + цементит. В таком случае даже охлаждение с очень высокой скоростью не может обеспечить чисто мартенситной структуры, так как избыточные фазы (феррит или цементит) сохраняются в структуре без изменений, В результате в доэвтектоидных сталях получается структура мартенсит + феррит, а в заэвтектоидных – мартенсит + цементит. Твёрдость мартенсита, представляющего собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в -железе, зависит от содержания в нём углерода (рис 1). В среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталях она составляет 55…65 НRС или 550…680НВ. Феррит одна из самых мягких и малопрочных фаз в сталях. Его твёрдость не превышает 80...100 НВ. Цементит же - весьма твёрдая фаза (около 1000 HV или более 700 НВ). Следовательно присутствие избыточного феррита в структуре закалённой стали резко снижает её твёрдость, в то время как цементит способствует получению более высокой твёрдости.

Рис. 1 Зависимость твёрдости мартенсита от содержания углерода в стали. Таким образом, для доэвтектоидных сталей целесообразно производить полную закалку на чистый мартенсит, а для заэвтектоидных - неполную, которая кроме мартенсита сохраняет в структуре некоторое количество цементита. Для эвтектоидной стали возможна только полная закалка. Следует иметь в виду, что нагрев стали при закалке до температур, значительно превышающих критические точки Ac3 и Аcm, вообще не желателен, так как может привести к сильному обезуглероживанию и окислению поверхности деталей, укрупнению зерна аустенита и увеличению внутренних напряжений. В итоге после закалки с таких температур твёрдость поверхности оказывается заниженной, наблюдается повышенная деформация детали, получающийся мартенсит имеет грубое строение и обладает повышенной хрупкостью. Всё это позволяет придти к выводу, что в зависимости от состава стали её нагрев под закалку целесообразно осуществлять до температур, лежащих на 30... 50 0С выше линии GSK (рис 2)

Рис. 2. Оптимальный интервал температур нагрева под закажу углеродистых сталей.