Основные особенности фазовых превращений в твердом состоянии

1. Кристаллографическая ориентировка зародышей новой фазы определенным образом связана с кристаллографической ориентировкой исходной материнской фазы. Зародыш новой фазы ориентирован так, что он сопрягается с исходной фазой кристаллографическими плоскостями, наиболее близкими друг к другу по структуре и размерам. При этом работа образования зародыша минимальна, так как минимально межфазовое поверхностное натяжение. Чем больше сходство кристаллического строения старой и новой фаз, тем интенсивней может происходить образование зародышей новой фазы.

2. Возникновение внутренних напряжений при образовании и росте зародышей новой фазы. Источником этих напряжений являются искажения кристаллических решеток на границе раздела фаз, а также возможные различия удельных объемов исходной и вновь образующейся фазы. (В процессе роста новой фазы упругие напряжения на границе раздела фаз увеличиваются до тех пор, пока они не превысят предела упругости среды. В этот момент происходит пластическая деформация и когерентность решеток на границе раздела фаз нарушается, т. е. нарушается соответствие между решетками старой и новой фазы на границе раздела; одновременно происходит снятие внутренних напряжений. Когерентный рост прекращается и без пластической деформации в тот момент, когда участок новой фазы достигает границы зерна, так как зерна имеют различную кристаллографическую ориентировку в пространстве. Поэтому размер участков новой фазы, образовавшихся за счет когерентного роста, определяется не только упругостью среды и величиной возникающих упругих напряжений, но и размером зерна одной фазы. Представления о когерентном и некогерентном росте новой фазы разработаны Г. В. Курдюмовым.)

а – когерентная; б – полукогерентная; в – некогерентная граница

В теории мартенситного превращения считается, что бездиффузионность и кооперативный характер смещения при превращении ответственны за когерентность решеток аустенита и мартенсита на первых стадиях процесса и обуславливают высокие скорости движения когерентной межфазной границы, т.е. росту мартенситного кристалла. Данный рост приводит к накоплению упругой деформации на когерентной границе и последующему нарушению (срыву) когерентности. Рост кристалла мартенсита прекращается, и превращение развивается за счет образования новых кристаллов.

Сущность упрочнения сталей в процессе закалки

Характерной особенностью мартенсита является его высокая твердость и прочность. Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода; в стали с 0,6 – 0,7% с твердость мартенсита HRC 65 (HV 960), что во много раз больше твердости феррита. Предел прочности низкоуглеродистого мартенсита (0,025% С) составляет ~ 100 кгс/мм², а при 0,6– 0,8% С достигает 260–270 кгс/мм². Однако с повышением в мартенсите содержания углерода возрастает склонность его к хрупкому разрушению. Мартенсит, содержащий свыше 0,35 – 0,4% С, обладает пониженным сопротивлением зарождению трещины и особенно низким сопротивлением развитию трещины и разрушается хрупко.

Высокая твердость мартенсита объясняется влиянием внедренных атомов углерода в решетку α-фазы, созданием микро- и субмикроскопической неоднородности строения с равномерным ее распределением по объему, т. е. большим числом нарушений кристаллического строения. Каждый кристалл мартенсита состоит из большого числа блоков, размер которых значительно меньше, чем в исходном аустените. Дробление блоков происходит вследствие больших микронапряжений, возникающих в результате объемных изменений при γ→α превращениях и соответственно пластической деформации, создающей фазовый наклеп. Поверхности раздела кристаллов мартенсита, и особенно границы блоков, представляют собой трудно преодолимые препятствия для движения дислокаций. Все это и определяет высокую твердость стали, имеющей мартенситную структуру. Хрупкость мартенсита связана с образованием атмосфер из атомов углерода на дефектах строения.