Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Мартенсит — метастабильная фаза стали с максимальной твёрдостью среди продуктов распада аустенита. Это пересыщенный твёрдый раствор углерода в альфа-железе с тетрагональной искажённой решёткой, образующийся при закалке бездиффузионным путём. Именно мартенситное превращение лежит в основе упрочнения большинства конструкционных и инструментальных сталей.
При быстром охлаждении аустенита ниже температуры начала мартенситного превращения (точка Мн) диффузия атомов углерода становится невозможной. Вместо распада на феррит и цементит происходит бездиффузионное сдвиговое превращение: атомы железа перестраиваются из ГЦК-решётки аустенита в ОЦК-подобную решётку, удерживая в пересыщенном растворе весь углерод.
Из-за избытка углерода кубическая решётка растягивается вдоль одной оси, превращаясь в объёмноцентрированную тетрагональную (ОЦТ). Степень тетрагональности — отношение параметров c/a — возрастает линейно с ростом концентрации углерода по формуле c/a = 1 + 0,046·C, где C — содержание углерода в % по массе. При 0,2% C отношение c/a ≈ 1,009, при 1,0% C — около 1,046.
Ключевой факт: мартенсит — не равновесная фаза. При нагреве выше 100–150 °C начинается первая стадия его распада, а при 200–300 °C активно выделяется переходный карбид, что лежит в основе операции отпуска для снижения хрупкости закалённой стали.
В зависимости от содержания углерода и химического состава стали формируются два основных морфологических типа мартенсита:
Мартенситное превращение происходит не путём диффузии, а за счёт кооперативного сдвигового смещения атомов на расстояния, меньшие межатомного. Процесс протекает практически мгновенно — скорость роста кристалла достигает порядка тысячи метров в секунду, что соизмеримо со скоростью звука в металле.
Образование мартенсита начинается при охлаждении ниже точки Мн (температура начала мартенситного превращения) и заканчивается при точке Мк (температура конца превращения). Оба параметра сильно зависят от химического состава стали.
Значения Мн и Мк для конкретной марки стали существенно зависят от легирующих элементов. Марганец, хром, никель, молибден и большинство других легирующих элементов (кроме кобальта и алюминия) понижают Мн, увеличивая количество остаточного аустенита после закалки до комнатной температуры. Остаточный аустенит в заметных количествах присутствует в сталях, у которых точка Мк ниже комнатной, — как правило, при содержании углерода свыше 0,4–0,6%.
Для получения мартенситной структуры необходимо охладить аустенит со скоростью, превышающей критическую скорость закалки (Vкр). При меньшей скорости успевают пройти диффузионные превращения — образуются перлит, бейнит или их смеси. Диаграммы изотермического распада аустенита (ТТТ-диаграммы, С-диаграммы) наглядно показывают, при каких скоростях охлаждения обеспечивается полностью мартенситная структура.
Твёрдость мартенсита определяется прежде всего концентрацией углерода. Внедрённые атомы C создают искажения решётки, препятствующие движению дислокаций. Зависимость носит нелинейный характер и выходит на насыщение при содержании углерода выше 0,6–0,7%. В стали с 0,6–0,7% C твёрдость мартенсита составляет около 65 HRC.
Пояснение к таблице. Метод Бринелля по ГОСТ 9012-59 применим для металлов с твёрдостью не более 650 HBW (при шарике из твёрдого сплава). При твёрдости выше ~HRC 52–55 для оценки следует использовать метод Виккерса (ГОСТ 2999-75) или метод Роквелла (ГОСТ 9013-59). Перевод значений между шкалами осуществляется согласно ГОСТ 18265-72 и ISO 18265.
Высокая твёрдость мартенсита сопровождается значительной хрупкостью. В стали с 0,6–0,7% C временное сопротивление достигает 2600–2700 МПа, однако ударная вязкость при этом крайне мала. Именно поэтому после закалки на мартенсит обязателен отпуск, снижающий внутренние напряжения и повышающий пластичность.
Источник твёрдости мартенсита — совокупность нескольких механизмов упрочнения: твердорастворное упрочнение от внедрённых атомов C, создающих искажения решётки; упрочнение субструктурой (высокой плотностью дислокаций в реечном мартенсите); упрочнение за счёт большого числа границ кристаллов и субзёрен, затрудняющих движение дислокаций.
Если точка Мк лежит ниже комнатной температуры (при содержании углерода свыше ~0,4–0,5%), после закалки в структуре стали сохраняется остаточный аустенит — нераспавшаяся ГЦК-фаза. Его количество возрастает с увеличением содержания углерода и понижающих Мн легирующих элементов. В низкоуглеродистых сталях с реечным мартенситом количество остаточного аустенита пренебрежимо мало.
Остаточный аустенит снижает итоговую твёрдость детали, ухудшает размерную стабильность (при эксплуатации или хранении он может самопроизвольно превращаться в мартенсит, вызывая деформацию), а в инструментальных сталях — сокращает стойкость режущей кромки. Для устранения остаточного аустенита применяют:
Мартенситная структура формируется только там, где скорость охлаждения превысила критическую. В крупногабаритных деталях поверхность охлаждается быстрее сердцевины, поэтому мартенсит нередко присутствует лишь в поверхностном слое. Прокаливаемость — способность стали получать мартенситную или преимущественно мартенситную структуру на заданную глубину — оценивают методом торцевой закалки по Джомини (ГОСТ 5657-69, ISO 642:1999).
Легирующие элементы (Cr, Mo, Ni, Mn) существенно повышают прокаливаемость, смещая С-кривые вправо и снижая критическую скорость охлаждения. Именно поэтому крупные нагруженные детали изготавливают из легированных, а не из углеродистых сталей.
Управление мартенситным превращением является основой термического упрочнения сталей в машиностроении, инструментальном производстве и других отраслях.
Мартенсит — ключевая структурная составляющая закалённых сталей, определяющая их высокую твёрдость и прочность. Понимание механизма бездиффузионного мартенситного превращения, роли температур Мн и Мк, а также зависимости свойств от содержания углерода позволяет технологу целенаправленно управлять свойствами термообработанных деталей. Грамотный подбор марки стали, температуры аустенизации, скорости охлаждения и режима отпуска даёт возможность получать заданное сочетание твёрдости, прочности и вязкости в соответствии с требованиями нормативной и технической документации.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.