Мартенситные превращения

Понятие мартенситного превращения Мартенситные превращения представляют собой бездиффузионные, кооперативные перестройки кристаллической решётки, сопровождающиеся быстрым изменением структуры и часто механических свойств материала. Основная характеристика этих процессов — сохранение химического состава фаз при изменении кристаллической структуры. Превращения происходят как реакция на изменение температуры или механическое воздействие, и могут быть как обратимыми, так и необратимыми.

Кристаллографические особенности Мартенситные превращения характеризуются кооперативным смещением атомов в пределах кристаллической решётки. При этом новая фаза формируется без диффузии атомов, что отличает её от диффузионных фазовых переходов. Типичная схема — преобразование высокотемпературной фазы с высокой симметрией (аустенит) в низкотемпературную фазу с пониженной симметрией (мартенсит).

Ключевые особенности:

• Кооперативное смещение атомов: атомы перемещаются синхронно, сохраняя локальную упаковку.
• Сохранение объёма или его незначительное изменение: обычно изменение объёма не превышает 5%.
• Кристаллографические ориентировки: между исходной и конечной фазами существует строго определённая ориентировка, что приводит к формированию специфических морфологических элементов — пластин или игл мартенсита.

Термодинамика и кинетика Мартенситные превращения являются термодинамически обусловленными, но кинетика процесса не связана с диффузией. Температура начала мартенситного превращения обозначается как (M_s), а завершения — (M_f). Для обратного превращения (обратный мартенсит) используются температуры (A_s) и (A_f).

Энергетические аспекты:

• Энергия превращения включает упругую энергию кристаллической решётки, а также поверхностную энергию образующихся границ мартенсита.
• Основной драйвер — изменение внутренней энергии при переходе к более стабильной низкотемпературной структуре.
• Превращение сопровождается выделением или поглощением тепла, что делает возможным его наблюдение с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC).

Механические и морфологические проявления Мартенсит формируется в виде пластинчатых или игольчатых включений, ориентированных по определённым кристаллографическим направлениям аустенита. Эти морфологические признаки обеспечивают:

• Повышение твёрдости и прочности материала.
• Сильную зависимость механических свойств от температуры и скорости охлаждения.
• Возможность образования внутренних напряжений, влияющих на долговечность и пластичность изделий.

Типы мартенситных превращений

1. Термомартенситные — вызваны изменением температуры. Пример: превращение γ-Fe (аустенит) в α’-Fe (мартенсит) в стали.
2. Механомартенситные — индуцируются механическим воздействием (деформацией), характерны для некоторых сплавов титана, никеля и высокопрочных стали.
3. Обратимые (суперпластичные) превращения — при нагреве мартенсит может возвращаться в аустенит, что лежит в основе памяти формы.

Влияние состава и легирования Химический состав материала определяет температуру начала и завершения мартенситного превращения. Легирующие элементы могут:

• Повышать или понижать (M_s) и (M_f).
• Изменять морфологию мартенсита (толщина пластин, степень дисперсии).
• Стабилизировать высокотемпературную фазу и предотвращать мартенситное превращение.

Применение и технологическое значение Мартенситные превращения имеют критическое значение в металлургии и материаловедении:

• Термоупрочнение сталей и сплавов на железной, никелевой и титановой основе.
• Создание материалов с памятью формы (нитинол, Cu-Al-Ni сплавы).
• Контроль механических свойств через термическую и механическую обработку.

Методы исследования Для анализа мартенситных превращений применяются:

• Рентгеновская дифракция (определение кристаллографических ориентировок и фазового состава).
• Микроскопия (оптическая, электронная) для изучения морфологии пластин и игл.
• Дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC) для точного определения термодинамических параметров.
• Магнитные и акустические методы, особенно в сталях, где различие фаз сопровождается изменением магнитных свойств.

Мартенситные превращения представляют собой уникальное сочетание кристаллографической строгости, быстроты и управляемости свойств материалов, что делает их фундаментальным объектом исследования в кристаллохимии и инженерной металлургии.