1.1.7 Кинетика мартенситного превращения.

В зависимости от хи­мического состава стали или сплавов изменяются не только тем­пература превращения и морфологический тип мартенситных кристаллов, но и кинетика превращения. Для сплавов на железной основе обычно выделяют три вида кинетики: атермическую, взрывную и полностью изотермическую. Образование мартенсита сопровождается значительными изменениями физических свойств сплавов. Так как в подавляющем большинстве железных сплавов исходная фаза (аустенит) парамагнитна, а мартенсит ферромагнитен, то при изучении кинетики превращения чаще всего измеряют магнитные характеристики (намагниченность насыщения, маг­нитную проницаемость). Исследуя сплавы, в которых ферромагнитен и аустенит, удобно использовать измерение электрического сопротивления или дилатометрию.

Атермическое превращение начинается при достижении тем­пературы М_н, положение которой для сплавов с такой кинетикой не зависит от скорости охлаждения в широком диапазоне ее из­менения. Превращение происходит без инкубационного периода, практически мгновенно, протекает с очень большой скоростью и распространяется на широкую область температур. Понижение температуры в мартенситном интервале сопровождается плавным увеличением количества мартенсита (рисунок 1.14). Приостановка охла­ждения при любой температуре вызывает практически полное пре­кращение превращения. При достиже­нии точки М_нпревращение обычно не доходит до конца и в стали сохраняет­ся то или иное количество остаточ­ного аустенита.

Рисунок 1.14. Мартенситная кривая атермическо- го превращения в углеродистой стали (Г.В. Курдюмов)

Атермическое превращение, как правило, наблюдают в железных сплавах, точка М_нкоторых лежит су­щественно выше комнатной тем­пературы. В таких сплавах образу­ется реечный мартенсит.

Взрывное превращение начина­ется со скачкообразного, взрывоподобного возникновения доста­точно большой порции мартенсита, после чего объемная скорость пре­вращения резко уменьшается и продолжается по атермической кинетике при понижении темпера­туры, а затем может последовать другой "взрыв". Первоначальный "взрыв", при котором за10^-4..10^-3с может образоваться до 50...70 % мартенсита, иногда оказывается единственным. В таких случаях дальнейшее накопление мартенсита происходит без замет­ных скачков. Однако зачастую скачки превращения могут неодно­кратно повторяться, прерывая плавное его развитие (рисунок 1.15).

Рисунок 1.15. Мартенситные кривые двух об­разцов стали 35Н24Х со взрывным превра­щением (А.Ф. Щербакова)

Температуру начала взрывного превращения, т. е. температуру первого скачка, принято обозначать М_в. Одинаковые образцы од­ного и того же сплава могут иметь заметно различающиеся точки М_в(см. рисунок 1.15). Взрывное возникновение мартенсита сопрово­ждается звуковым эффектом (отчетливо слышны щелчки) и повы­шением температуры в локальных объемах, охваченных превраще­нием. При взрывной кинетике наиболее наглядно проявляется автокаталитичность мартенситного превращения. Мартенситный "взрыв" заключается в том, что образовавшаяся пластина вызывает лавинообразное появление большой группы пластин.

Взрывное превращение развивается в основном в области отрицательных температур. При крупных взрывах обычно возни­кает линзовидный мартенсит с мидрибом. Его кристаллы образуют характерные зигзаги и "молнии". При взрывной кинетике превра­щения может также формироваться тонкопластинчатый мартен­ сит. Но в этом случае крупные "взрывы" не наблюдаются, а на мартенситной кривой появляется множество мелких скачков.

Как было сказано выше, при исследовании взрывного превра­щения с помощью обычной аппаратуры, показания которой про­порциональны количеству мартенсита, регистрируется несколько скачков, в промежутках между которыми записывается плавное нарастание степени превращения. Применение импульсных маг­нитометров, реагирующих не на количество мартенсита, а на мгновенную скорость его образования, позволяет изучить микро­кинетику превращения, т. е. характер образования мартенсита в микрообъемах образца. Оказалось, что в сплавах со взрывным превращением плавным участкам обычной макроскопической мартенситной кривой, располагающимися между более или менее крупными взрывами, соответствует множество скачков на микро­кинетической кривой (рисунок 1.16). Следовательно, кажущееся плав­ным превращение между крупными взрывами в действительности имеет микровзрывной характер. Такая картина наблюдается, в ча­стности, в сплавах железа с 30...32 % никеля.

Рисунок 1.16. Микрокинетика образования мартенсита в стали 05Н31: 1 - температура; 2 - мгновенная скорость превращения в зависимости от времени охлаждения (фрагмент осциллограммы)

Полностью изотермическое превращение в отличие от атермического или взрывного имеет ряд черт, характерных для нормаль­ного неупорядоченного превращения. В изотермических условиях оно начинается по истечении инкубационного периода и его объ­емная скорость сначала возрастает, достигая максимума, а затем снижается. Температурную зависимость инкубационного периода и объемной скорости превращения в этом случае можно описать С-образными кривыми (рисунок 1.17). Наблюдаемое при снижении тем­пературы увеличение скорости превращения обусловлено ростом термодинамического стимула, а ее уменьшение — понижением энергии тепловых колебаний.

Рисунок 1.17. Изотермическое образование мартенсита в сплаве Н2ГЗ (Г.В. Курдюмов, О.П. Максимова)

При непрерывном охлаждении образование мартенсита в спла­вах с изотермической кинетикой зависит от скорости понижения температуры: чем выше последняя, тем при более низкой темпера­туре начинается превращение. Вследствие этого понятие о мартенситной точке М_нстановится неопределенным. Иногда в каче­стве условной мартенситной точки принимают температуру, ниже которой возможно образование мартенсита (на рисунке 1.17 она ука­зана штриховой линией). Из рисунок 1.17 следует, что при достаточно быстром охлаждении до низких температур образование мартен­сита может быть полностью подавлено и тогда превращение про­исходит при последующем нагреве. Превращение при нагреве воз­можно и после охлаждения, при котором образовалось некоторое количество изотермического мартенсита.

Следует особо подчеркнуть, что при изотермической кинетике сохраняются все основные черты мартенситного превращения. Рост отдельных кристаллов происходит с большой скоростью, независя­щей от температуры. Превращение распространяется на интервал температур и в изотермичесих условиях до конца не идет. Изотер­мическое превращение характерно для высоколегированных желез­ных сплавов с точкой М_н, лежащей ниже комнатной температуры.

Структура мартенсита, возникающего в сплавах с изотермической кинетикой, разнообразна и зависит от химического состава сплава. Кристаллы изотермического мартенсита в сплавах Fe—Ni—Mn,Fe—Ni—Moмогут быть частично двойникованы, с мидрибом {259}_γ, не параллельным плоскости габитуса, близкой к {112}_γ. В сплавахFe—Ni,Fe—Cr—Niи других по быстрой изотермической кинетике образуются пакеты тонких кристаллов с габитусом {111}_γ, пересе­каемые общим мидрибом {259}_γ, или без него (реечный мартен­сит). По изотермической кинетике может формироваться и "бат­терфляй-мартенсит.

В некоторых сплавах с точкой М_н выше комнатной темпера­туры, мартенситное превращение в которых можно рассматривать, как атермическое, существуют две области температур - вблизи М_н и М_к, в которых мартенсит образуется в изотермических условиях. По мере удаления от концов мартенситного интервала и прибли­жения к его середине объем изотермически образующегося мар­тенсита уменьшается вплоть до полного исчезновения. Это явление можно объяснить, допустив, что превращение в таких сплавах по своей природе является изотермическим, но протекает настолько быстро, что скорость в средней части мартенситного интервала не поддается измерению и изотермичность может быть обнаружена лишь вблизи М_ни М_к, т. е. в областях температур с от­носительно низкой скоростью зарождения кристаллов. Описанная разновидность кинетики образования мартенсита получила назва­ние быстрого изотермического превращения.

Причины существования различных кинетических типов мартенситных превращений и связанных с ними морфологических разновидностей мартенсита не вполне ясны. Вероятно, эти особен­ности превращения определяются механизмом релаксации струк­турных напряжений. Механизм релаксации, в свою очередь, опре­деляется термодинамическим стимулом γ → α перестройки, температурой превращения, пределом текучести аустенита, крити­ческими напряжениями скольжения и двойникования в мартенсите.

В некоторых сплавах удается наблюдать как изотермическое, так и атермическое мартенситные превращения, протекающие в той или иной последовательности. Так, в стали 05Н24М5 изо­термическое превращение при понижении температуры сменяется взрывным, а в стали 10Х17Н4 атермическое (не взрывное) превра­щение начинается на несколько десятков градусов выше появле­ния изотермического мартенсита. В сплавах с преимущественно взрывной кинетикой небольшое количество изотермического мар­тенсита может возникать как выше М_в, так и после больших скач­ков превращения.

Постепенный переход от одного типа превращения к другому может наблюдаться при изменении состава сплава. Такая законо­мерность характерна для железоникелевых сплавов. При измене­нии содержания никеля приблизительно от 29 до 30 % обычная атермическая кинетика заменяется взрывной кинетикой, причем этому переходу соответствует изменение структуры. В сплавах, со­держащих менее 29 % никеля, образуется реечный мартенсит, а при содержании никеля около 30 % и более возникает линзовидный мартенсит с мидрибом.

Вышеизложенное позволяет считать, что различие между ос­новными кинетическими типами превращений не являются прин­ципиальными. Взрывное образование мартенсита можно рас­сматривать как предельное выражение атермической кинетики превращения. В то же время атермическое превращение можно представить как изотермическое, но идущее с очень высокой скоростью уже во время охлаждения до любой из температур мартенситного интервала.

Состояние исходной фазы также существенно влияет на мартенситное превращение. В некоторых сталях, претерпевающих мартенситное превращение, аустенит при относительно низких температурах является пересыщенным твердым раствором. Тогда при медленном охлаждении от высоких температур или при вы­держке после закалки в области от 400 до 800 "С, т. е. намного выше М_н, он может распадаться. Образование при распаде зон Гинье-Престона частиц метастабильных и стабильных фаз, изменение химического состава твердого раствора, его напряженного состоя­ния и механических свойств неизбежно сказывается на развитии мартенситного превращения.

Начальные стадии распада пересыщенного аустенита снижают М_н, а более глубокий распад, сопровождающийся значительными изменениями химического состава γ-раствора, приводит к повы­шению мартенситной точки. Эти изменения М_ннаблюдаются не­зависимо от типа выделяющейся фазы (карбиды или интерметаллиды) и исходной кинетики мартенситного превращения.

В качестве примера рассмотрим влияние старения на мартен­ситное превращение в двух сталях: 40Н15Х2 с карбидной и 05H23I03X2 с интерметаллидной фазой выделения.

Низкотемпературное трехчасовое старение (при 425...475 °С), с одной стороны, должно повышать мартенситную точку вследст­вие обеднения аустенита элементами, образующими зоны или фа­зы выделения, а с другой — понижать М_нвследствие термической стабилизации аустенита, обусловленной закреплением дислока­ций примесями внедрения и дисперсными частицами. Резуль­тирующее снижение М_н(см. рисунок 1.18) означает, что последний фактор действует сильнее. Увели­чение продолжительности выдерж­ки при 450°С более трех часов при­водит сначала к уменьшению снижения М_нстали 40Н15Х2, а за­тем и к ее повышению. Это вызва­но усилением обеднения аустенита углеродом при мало меняющейся степени стабилизации. Мартенситная точка стали 05Н23ЮЗХ2 не­прерывно снижается с увеличением продолжительности выдержки; сле­довательно, стабилизация аусте­нита этой стали усиливается, а действие химического фактора не­велико.

Рисунок 1.18 Изменение мартенситной точки и твердости при старении сталей 40Н15Х2 (1), упрочняемой карбидами, и 05Н2ЭЮЗХ2 (2), упрочняемой интерметаллидами (Ю.Б. Пейсахов)

При температурах выше 600 °С термическая стабилизация аустенита не развивается, поэтому в результате высокотемператур­ного старения (при 600...700 °С) наблюдается повышение М_н, обусловленное обеднением аустенита элементами, снижающи­ми ее: углеродом и хромом в стали 40Н15Х2 и никелем в стали 05H23I03X2.

Заметим, что максимуму твердости аустенита при старении со­ответствует снижение М_нстали 40Н15Х2 с карбидной фазой вы­деления, а М_нстали 05H23I03X2, упрочняемой интерметаллида­ми, повышается (см. рисунок 1.18).

Старение может сопровождаться не только понижением тем­пературы М но и изменением кинетики маргенситного превра­щения. Так, например, в сплаве 05Н23ЮЗХ2 с исходной изотермической кинетикой и реечным мартенситом после старения аустенита при 475 °С в течение 120 часов наблюдается взрывной тип превращения с образованием линзовидного мартенсита.