Мартенсит: как и почему

Самым замечательным свойством стали является ее способность упрочняться до высокого уровня прочности путем простой закалки. Закалка стали обычно происходит при погружении нагретого металла в охлаждающую жидкость, такую как вода, масло или жидкая соль. Для увеличения прочности необходимо, чтобы эта разогретая сталь содержала аустенит, а лучше – была полностью аустенитной. Тогда очень быстрое охлаждение не даст аустениту возможности превратиться в термодинамически «выгодную» структуру феррит + цементит. Вместо нее образуется новая структура, которая называется мартенсит. Эта мартенситная фаза и дает стали очень высокий уровень прочности.

Углерод: много в аустените – мало в феррите

Как известно аустенит имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую (ГЦК) структуру, феррит – объемно-центрированную кристаллическую (ОЦК) структуру. Фазовая диаграмма стали показывает, что ГЦК структура – аустенит – будет растворять намного больше углерода, чем ОЦК структура — феррит. При температуре А1 количество углерода, которое может раствориться в аустените – в 38,5 раза (0,77/0,02 = 38,5) больше, чем в феррите.

Дело в том, что атомы углерода намного меньше, чем атомы железа. Растворенные атомы углерода располагаются в промежутках между относительно большими атомами железа. ОЦК структура способна «поглотить» больше атомов углерода, так как некоторые промежутки между атомами в этой структуре значительно больше, чем любые промежутки в ГЦК структуре.

Медленное охлаждение аустенита – феррит плюс цементит

Рисунок 1 показывает схему превращения аустенита стали с содержанием углерода 0,60 % в феррит. Вертикальная линия представляет собой фронт превращения, который движется слева направо. После того, как этот фронт продвинется, например, на 25 мм, в этой области длиной 25 мм содержание углерода должно упасть с 0,6 % до 0,02 %. При медленном охлаждении углерод может успевать двигаться впереди фронта превращения в аустените вдоль направления, которое показано штриховой стрелкой, за счет механизма диффузии.

front-ferritaРисунок 1 – Схема продвижения фронта превращения аустенита в феррит

Быстрое охлаждение аустенита – мартенсит

Однако, если это превращение вынуждено происходить очень быстро путем закалки, уже не будет времени для диффузионного движения атомов углерода. Поэтому часть их – или они все –  останутся в феррите. Это чрезмерное содержание углерода в феррите приводит к резкому искажению его ОЦК структуры – в результате возникает мартенситная структура.

Атомная решетка: из феррита в мартенсит

На рисунке 2 показаны рядом атомная ячейка ОЦК феррита и искаженная атомная ячейка мартенсита. Атомная ячейка мартенсита похожа на ОЦК ячейку феррита в том, что она тоже имеет атом в центре и по атому в каждом из восьми углов. Однако эта атомная ячейка уже не является кубом. Одна из ее сторон, которую называют периодом решетки с или гранью с (см. рисунок 2), длиннее, чем две другие, которые называют периодами а или гранями а. Эта кристаллическая структура называется объемноцентрированной тетрагональной (ОЦТ).

kristallicheskaya-reshetka-martensitaРисунок 2 – Сравнение кристаллических структур феррита и мартенсита

Больше углерода – выше твердость

Рисунок 3 показывает, как с увеличением в мартенсите растворенного углерода его грань с становится все больше и больше по сравнению с гранью а. Повышенное содержание углерода в мартенсите достигается закалкой аустенита с более высоким содержанием углерода. На графике на рисунка 3 видно, что с увеличением содержания углерода искажение атомной решетки от кубической – грань с становится все больше по сравнению с гранью а. Это происходит из-за внедренных в ОЦТ решетку мартенсита атомов углерода.

razmery-martensitnoy-yacheykiРисунок 3 – Размеры граней а и с объемно-центрированной ячейки мартенсита
(1 нм = 1000 мкм)

Прочность и твердость мартенсита с увеличением в нем содержания углерода возрастает очень сильно, как это видно из рисунка 4.

uglerod-martensit-tverdostРисунок 4 – Твердость по Роквеллу свежезакаленного мартенсита
в зависимости от содержания углерода

Понять, почему с увеличением содержания углерода прочность мартенсита возрастает, помогает следующая интерпретация. Удобно представить себе, что химические связи, которые держат вместе атомы железа, являются пружинами. С увеличение содержания углерода эти пружины растягиваются, чтобы поместить в решетке дополнительные атомы углерода. А чтобы растянуть эти растянутые пружины дальше – деформировать мартенсит – требуется все больше и больше усилий.

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007