Сдвиговый механизм превращения отличается закономерным кооперативным направленным смещением атомов в процессе перестройки решетки.

Мартенситное превращение

Природа мартенсита. Мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α-железе. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в α-железе при 20 °С не превышает 0,002 %, то его содержание в мартенсите может быть таким же, как в исходном аустените, т.е. может достигать 2,14 %.

Атомы углерода занимают октаэдрические поры в решетке α-железа (мартенсите) и сильно ее искажают. Мартенсит имеет тетрагональную решетку, в которой один период с больше другого – а. При увеличении содержания углерода высота тетрагональной призмы увеличивается, а размеры ее основания уменьшаются.

Отношение с/а = 1 + 0,046 С, где С – концентрация углерода в аустените (по массе).

Превращение носит бездиффузионный характер, т.е. оно не сопровождается диффузионным перераспределением атомов углерода и железа в решетке аустенита. Мартенситное превращение осуществляется путем сдвига и не сопровождается изменением состава твердого раствора.

Отдельные атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные, сохраняя взаимное соседство. Это приводит к макроскопическому сдвигу, внешним проявлением которого является игольчатый микрорельеф на поверхности металлического шлифа (рис. 4.21, а). В процессе превращения кристаллы мартенсита сопряжены с аустенитом по определенным кристаллографическим плоскостям и межфазная граница не образуется. При мартенситном превращении происходит одновременный и направленный групповой сдвиг атомов в решетке аустенита.

Пока на границе мартенсита и аустенита существует сопряженность решеток (когерентность), скорость образования и роста кристаллов мартенсита очень велика ~ 10³ м/с.

Диффузионный переход атомов из кристаллов аустенита в мартенсит при низких температурах невозможен. Дальнейшее превращение протекает в результате образования новых кристаллов мартенсита.

Рис. 4.21. Микроструктура мартенсита: а – мартенситный рельеф; б – высокоуглеродистый пластинчатый мартенсит и остаточный аустенит, ×500; в – низкоуглеродистый реечный мартенсит, ×2 700; г – мартенсит (реечный) стали, содержащей 0,45 % С, ×1 000

Кинетика мартенситного превращения. Мартенситное превращение в общем случае не удается подавить быстрым охлаждением, как это может быть при диффузионных превращениях, протекающих по обычной кристаллизационной кинетике. Превращение начинается сразу при температуре Мн и происходит не в изотермических условиях, а в интервале температур. При переохлаждении до температуры, соответствующей точке Мн, аустенит начинает превращаться в мартенсит.

Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже температуры Мн. Чем ниже температура, тем больше образуется мартенсита. Количество мартенсита при этом возрастает в результате образования все новых и новых кристаллов, а не вследствие роста уже возникших кристаллов, имеющих некогерентную границу. Температуру окончания мартенситного превращения обозначают Мк. Положение точек Мн и Мк не зависит от скорости охлаждения и обусловлено химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже температура точек Мн и Мк (рис. 4.22). Все легирующие элементы, за исключением кобальта и алюминия, понижают точки Мн и Мк.

Мартенситное превращение очень чувствительно к напряжениям, а деформация аустенита может вызывать превращение даже при температурах выше Мн.

Кристаллы мартенсита в зависимости от состава стали, а следовательно, и от температуры своего образования могут иметь различные морфологию и субструктуру.

Различают два типа мартенсита – пластинчатый и реечный.

Рис. 4.22. Температура мартенситных точек Мн и Мк при различном содержании углерода в сталях