Обратимость мартенситного превращения.

Сплав, закаленный на мартенсит, при нагреве до температур выше Т0 может претерпеть обратное мартенсито-аустенитное превращение, когда будет достигнута определенная степень перегрева и определенная движущая сила превращения dG. По аналогии сточкой Мн, температуру начала бездиффузионного образования аустенита обозначают через Мн. Образование аустенита мартенситным путем возможно только в таких условиях, когда подавлено диффузионное перераспределение компонентов в исходном мартенсите. Для этого температура Т0 должна быть невысокой, а нагрев надо проводить ускоренно. В углеродистых сталях обратное мартенситное превращение не было обнаружено, что можно объяснить высокой подвижностью атомов углерода в растворе внедрения: при нагреве диффузионный распад мартенсита (отпуск) проходит раньше, чем достигается температура Мн. Обратное мартенситное превращение наблюдали в сплавах системы Fе—Ni (при высоком содержании никеля, когда точка То достаточно низка), в медных сплавах (например, алюминиевых бронзах) и в титановых сплавах. В этих сплавах обратное мартенсит имеет все главные признаки прямого.

МЕХАНИЗМ МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ.

Нормальное превращение. При нормальном полиморфном превращении кристаллы новой фазы растут путем неупорядоченных, взаимно не связанных переходов атомов через границу. Отрываясь в результате термической активации от решетки исходной фазы, например у-железа, атомы поодиночке (или небольшими группами) присоединяются к решетке новой фазы, например а-железа, и в результате граница кристалла а мигрирует в сторону кристалла у: новая фаза «поедает» материнскую фазу. Такое независимое одно от другого неупорядоченное перемещение атомов через границу раздела фаз похоже на самодиффузионный процесс роста кристаллов при первичной рекристаллизации и отличается от него лишь происхождением термодинамичекого стимула. Как и рекристаллизация, неупорядоченная перестройка (нормальное превращение) может идти только при высоких температурах.

Сдвиговое (мартенситное) превращение. Сдвиговый (мартенситный) механизм фазового превращения, отличается упорядоченным, кооперативным, взаимосвязанным характером перемещений атомов на расстояния меньше межатомных без обмена атомов местами так, что соседи любого атома в исходной фазе остаются его соседями в новой, мартенситной фазе.

Действительно, если при превращении соседи любого атома в исходной фазе остаются его же соседями в новой фазе, на границе фаз окружение из старых соседей вокруг каждого атома также должно сохраняться, т. е. граница должна быть когерентной.

рис. 60). Когерентность, упругое сопряжение двух решеток на границе мартенсита и исходной фазы обусловливают возможность чрезвычайно быстрого движения границы в сторону матрицы даже при очень низких температурах, так как для такого «скользящего» движения не требуется диффузии с миграцией атомов на расстояния, превышающие межатомные. На границе происходит лишь кооперативное перемещение атомов на расстояния меньше межатомного, результатом которого и является перемещение самой границы в сторону исходной фазы, т. е. рост мартенситного кристалла. С ростом мартенситного кристалла на когерентной границе накапливается упругая деформация, пока, наконец, не достигается предел текучести и наступает разрядка упругих напряжений вследствие нарушения когерентности. Теперь уже, когда на границе кристалла мартенсита с материнской фазой возникает неупорядоченное расположение атомов, «скользящее» движение границы становится невозможным и быстрый рост кристалла по мартенситному механизму прекращается. Дальнейший рост кристалла мартенсита возможен только путем неупорядоченного перехода атомов через границу, а так как мартенситное превращение протекает в области температур, где самодиффузия идет крайне медленно, то и подрастание мартенситного кристалла после разрыва когерентности может практически не наблюдаться.

Таким образом, рассмотренный механизм сдвиговой перестройки решетки объясняет две важные особенности мартенситного превращения: громадную скорость роста кристаллов мартенсита в условиях малой подвижности атомов (вплоть до температур, близких к абсолютному нулю) и быстрое прекращение их роста.

Для полиморфного превращения твердых растворов по мартен5 ситному механизму характерна еще одна важная особенность — ' отсутствие диффузионного перераспределения компонентов. Действительно, если атомы во время превращения не обмениваются местами и каждый атом не меняет своего окружения, то концентрация образующегося твердого раствора должна бьць в точности такой же, как и в исходной фазе (например, концентрация углерода в мартенсите такая же, как и в аустените)

Массивное превращение, являющееся разновидностью нормального, происходит вследствие перемещения некогерентной межфазной границы в сторону исходной фазы в результате неупорядоченных переходов атомов на короткие расстояния в районе этой границы. Диффузии на дальние расстояния, необходимой для диффузионного перераспределения компонентов, здесь не требуется, в связи с чем скорость роста массивной фазы сравнительно большая (достигает значений около 1 см/с) 2 и превращение может успеть произойти даже в период закалочного охлаждения. Массивные кристаллы (в отличие от тонких мартенситных пластин) имеют искривленные границы неправильной формы.

Нормальные полиморфные превращения в чистых металлах по существу также являются массивными, хотя использование этого понятия для чистых металлов не имеет особых преимуществ, так как других нормальных превращений в чистых металлах нет. Мартенситное превращение часто называют бездиффузионным. Этот термин следует понимать не как отсутствие диффузионного перераспределения компонентов, что свойственно и нормальному массивному превращению в сплавах, а как отсутствие неупорядоченных перемещений атомов, характерных для самодиффузии.

Основные условия, необходимые для проявления того или иного механизма превращения высокотемпературной модификации в низкотемпературную, проанализированы Г. В. Курдюмовым.

Если температура стабильного равновесия двух модификаций чистого металла достаточно высока, могут реализоваться оба механизма перестройки решетки. При сравнительно малых переохлаждениях, когда подвижность атомов достаточно высока, идет нормальное полиморфное превращение с неупорядоченной перестройкой решетки. Мартенситное превращение яри малых переохлаждениях идти не может и поэтому не составляет конкуренции нормальному превращению. Объясняется это тем, что при неупорядоченной перестройке решетки упругая деформация кристаллов исходной фазы обусловлена только изменением удельного объема, а при мартенситном превращении - также и когерентноетью решеток исходной фазы и мартенситного кристалла. Большая величина Gупр при мартенситном превращении требует большого термодинамического стимула (Gоб) для развязывания превращения и, следовательно, большего переохлаждения высокотемпературной модификации, чем это необходимо для развития нормального превращения.

У металлов с высокой температурой равновесия модификаций не всегда легко получить такие большие степени переохлаждения, которые необходимы для начала мартенситного превращения. Так, например, для реализации мартенситного механизма полиморфного превращения в железе образцы следует сильно перегревать в у-области и очень быстро охлаждать, чтобы подавить развитие нормального превращения при меньших степенях переохлаждения. Если у чистого металла температура равновесия двух модификаций сравнительно низкая, то из-за малой подвижности атомов реализуется только мартенситное превращение, а неупорядоченная перестройка решетки вообще не наблюдается.

Из всего изложенного следует, что определение «нормальное» превращение — полностью условное, так как мартенситное превращение является не менее обычным для фазовых переходов в твердом состоянии. В твердых растворах на базе полиморфных металлов реализация того или иного механизма превращения зависит от того, как легирующий элемент изменяет температуру равновесия двух модификаций. Противоположный случай — легирование кобальта элементами, которые так повышают температуру равновесия двух модификаций, что, кроме мартенситного превращения, идущего при достаточно большом переохлаждении, становится возможным и нормальное превращение (при малых степенях переохлаждения).

МИКРОСТРУКТУРА.

П л а с т и н ч а т ы й м а р т е н с и т (который называют также игольчатым, низкотемпературным и двойникованным) — это хорошо известный «классический» тип мартенсита, наиболее ярко выраженный в закаленных высокоуглеродистых сталях и в безуглеродистых железных сплавах с высокой концентрацией второго компонента. Кристаллы мартенсита имеют тонких линзообразных пластин. Такая форма пластин мартенсита соответствует минимуму энергии упругих искажений при образовании его в аустенитной матрице и аналогична форме механических двойников. Попадание пластины своей большой поверхностью в плоскость шлифа — крайне редкий случай. Произвольные сечения мартенситных пластин плоскостью шлифа при небольших увеличениях микроскопа создают ложное впечатление об игольчатой форме кристаллов. Однако исторически сложившиеся термины «крупноигольчатый» и «мелкоигольчатый» мартенсит широко распространены. Соседние пластины не параллельны одна другой и часто образуют фермоподобные ансамбли. Ввиду интерференции дальнодействующих полей упругих напряжений от каждой пластины такое закономерное их расположение в матричной фазе обеспечивает минимум упругой энергии суммарного поля всего ансамбля из пластинчатых кристаллов. Пластины, возникающие в первую очередь (вблизи точки МН), проходят через все аустенитное зерно, расчленяя его на отсеки. Через границу зерна матричной фазы мартенситная пластина, как следует из механизма ее образования, пройти не может, и поэтому максимальный размер мартенситных пластин ограничен размером аустенитных зерен. В отсеках аустенита при понижении температуры образуются новые мартенситные пластины, размер которых уже ограничен размерами отсека матрицы. По мере развития превращения аустенитное зерно расчленяется на все более мелкие отсеки, в которых образуются все более мелкие мартенситные пластины. При мелком аустенитном зерне, например при малых перегревах стали выше Ас3, пластины мартенсита столь мелки, что «игольчатое» строение на шлифе не видно и мартенсит называют бесструктурным. Такой мартенсит наиболее желателен. После закалки между пластинами мартенсита при комнатной температуре сохраняется остаточный аустенит. В 'местах столкновения пластин мартенсита, растущих под углом одна к другой, могут возникать механические двойники и микротрещины. С укрупнением аустенитного зерна укрупняются пластины мартенсита и образование микротрещин в местах их столкновения усиливается.

  Пакетный мартенсит (который называют также реечным, массивным, высокотемрературным и недвойникованным)— это широко распространенный морфологический тип, который можно наблюдать в закаленных малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталях, большинстве конструкционных легированных сталей, сравнительно малолегированных безуглеродистых железных сплавах. Пластины реечного мартенсита разделены мало- или высокоугловыми границами. Ширина пластин в пределах пакета примерно одинакова и находится в диапазоне от нескольких микрон до долей микрона (обычно 0,1—0,2 мкм), т. е. может находиться на пределе разрешающей способности светового микроскопа и даже за этим пределом. Поэтому «реечные» кристаллы под световым микроскопом или совсем не видны, или же выявляются как тонкая структура пакетов. В связи с этим в качестве основного структурного элемента шлифа выступает пакет из пластин, а не отдельные очень тонкие кристаллы. Поэтому мартенсит с такой структурой и был назван пакетным, или массивным, в отличие от игольчатого.

Образованию пакетного мартенсита свойственны все основные отличительные признаки мартенситного превращения, в том. числе и возникновение рельефа на полированной поверхности, соответствующего внутреннему реечному строению.

СУБСТРУКТУРА.

С у б с т р у к т у р а п л а с т и н ч а т о г о м а р т е н с и т а характеризуется тем, что уже под световым микроскопом в сечении пластин можно увидеть среднюю линию или, точнее, среднюю зону повышенной травимости, называемую также мидрибом (СРЕДНЯЯ ПОЛОСКА).

Электронная микроскопия показала, что мидриб — это область с плотным расположением параллельных тонких двойниковых прослоек. Плоскость двойникования в мартенсите сплавов на железной основе чаще всего (112}м. Толщина двойниковых прослоек в зависимости от состава сплава и условий образования мартенсита колеблется от нескольких до сотен ангстрем. По обе стороны от средней двойникованной зоны находятся периферийные области мартенситной пластины, в которых видны дислокации с относительно небольшой плотностью.

В связи с тем что мартенситная пластина в общем случае состоит из средней зоны двойникования и периферийных зон скольжения, была выдвинута гипотеза о двух стадиях формирования мартенситной пластины. Вначале в образовании пластины (будущего мидриба) главную роль играет дополнительная деформация двойникованием. Из-за громадной скорости роста пластины теплота превращения не успевает отводиться и температура на поверхности пластины сильно возрастает, что приводит к смене механизма дополнительной деформации: переходу от двойникования к дислокационному скольжению (хорошо известно, что с понижением, температуры в металлах с о. ц. к. решеткой при быстрой пластической деформации скольжение заменяется двойникованием).

С у б с т р у к т у р а п а к е т н о г о м а р т е н с и т а качественно отличается от субструктуры пластинчатого мартенсита отсутствием зоны из тонких двойниковых прослоек. Субструктура пакетного мартенсита имеет сложное дислокационное строение, для которого характерны дислокационные сплетения при высокой плотности дислокации — порядка 10й — 1012 см- 2, т. е.'такой же, как и в металле после сильной холодной деформации. Рейки часто состоят из вытянутых слегка разориентированных субзерен. Двойниковые прослойки могут встречаться в пакетном мартенсите, но плотность их несравненно меньше, чем в мидрибе пластинчатого мартенсита, а многие рейки вообще не содержат двойников.

  С у б с т р у к т у р а о с т а т о ч н о г о а у с т е н и т а отличается от субструктуры исходного аустенита большей плотностью несовершенств, возникающих при локальной пластической деформации аустенита под действием мартенситных кристаллов. В аустените вблизи мартенситных кристаллов наблюдаются плоские скопления дислокаций, дислокационные сплетения и дефекты упаковки.