Мартенситные превращения

Определение и характерные особенности Мартенситные превращения представляют собой диффузионно-недефузионные фазовые переходы кристаллических структур, при которых происходит кооперативное сдвижение атомов без заметного перемещения атомов на большие расстояния. Эти превращения протекают с изотермической или атермической скоростью и сопровождаются изменением кристаллической решетки и механических свойств материала. Основная особенность мартенситного превращения — быстрая реакция на термическое воздействие, что делает его ключевым в термообработке сталей и сплавов.

Кристаллографические аспекты Мартенсит формируется через координированное смещение атомов, сохраняя связь с исходной фазой. Чаще всего наблюдается переход из кубической гранецентрированной решетки (ОЦК) в тетрагональную или гексагональную структуру, что сопровождается деформацией решетки и внутренними напряжениями. Эти изменения приводят к образованию характерных ласточкин хвост-образных или пластинчатых морфологий в микроструктуре.

Механизм превращения Механизм мартенситного превращения можно описать через следующие этапы:

1. Нуклеация — зарождение мартенсита в кристаллах аустенита на дефектах решетки, границах зерен или внутренних напряжениях.
2. Рост — кооперативный сдвиг атомов по определённым кристаллографическим направлениям, что обеспечивает быстрый рост мартенситных пластин без диффузии.
3. Закрепление структуры — стабилизация мартенсита при снижении температуры, формирование тетрагональной или другой кристаллической решётки с характерным напряжённо-деформированным состоянием.

Термодинамика и кинетика Мартенситные превращения являются недиффузионными, поэтому их термодинамика отличается от диффузионных фазовых переходов. Превращение происходит ниже критической температуры Мартенса (Ms), при этом скорость реакции может быть почти мгновенной. Ключевым фактором является сдвиговая энергия решетки, которая определяет необходимое снижение температуры для начала превращения. Присутствие легирующих элементов, таких как никель, хром, молибден, изменяет температуру Ms и структуру образующегося мартенсита.

Механические свойства Мартенсит характеризуется высокой твёрдостью и прочностью, но низкой пластичностью. Эти свойства обусловлены:

• Высокими внутренними напряжениями, возникающими при сдвиге атомов;
• Деформацией решётки, которая препятствует скольжению дислокаций;
• Микроструктурной пластинчатой морфологией, затрудняющей пластическую деформацию.

Типы мартенсита

1. Тетрагональный мартенсит — формируется в углеродистых сталях, характеризуется выраженной анизотропией и высокой твёрдостью.
2. Бесуглеродный или кубический мартенсит — наблюдается в легированных сталях и некоторых сплавах, отличается более низкой твёрдостью и большей пластичностью.
3. Науглероженный мартенсит — формируется при цементации и термообработке, отличается высоким внутренним напряжением и твёрдостью на поверхности.

Влияние легирующих элементов Легирующие элементы значительно изменяют термодинамические и кинетические характеристики мартенситного превращения:

• Никель снижает температуру начала превращения и делает мартенсит более пластичным.
• Хром и молибден стабилизируют аустенит, увеличивая закалочную твердость.
• Марганец снижает температурный диапазон превращения, способствуя образованию более тонких мартенситных пластин.

Применение мартенсита в металлургии Мартенситные превращения активно используются для управления свойствами сталей:

• Закалка сталей — получение высокой твёрдости и износостойкости;
• Термообработка инструментальных сталей — формирование оптимального баланса прочности и пластичности;
• Поверхностное упрочнение — создание мартенситного слоя при цементации или азотировании.

Методы изучения Изучение мартенситных превращений проводится с использованием:

• Металлографических методов — наблюдение морфологии пластин и игольчатых структур;
• Диффракции рентгеновских лучей — анализ изменения параметров кристаллической решетки;
• Дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) — определение температур начала и конца превращения;
• Механических испытаний — измерение твёрдости, прочности и пластичности.

Заключительные особенности Мартенситные превращения играют ключевую роль в формировании механических и структурных свойств металлов. Они обеспечивают сочетание высокой твёрдости и прочности, а также служат основой для целенаправленного контроля микроструктуры через термообработку. Понимание кристаллографических и термодинамических аспектов позволяет оптимизировать свойства сталей и сплавов для промышленных и инженерных применений.