Мартенсит

МАРТЕНСИ́Т — загальна назва проміжних мета­стабільних структурних складових між термодинамічно стабільними високо- та низькотемпературними фазами, отриманих під час швидкого охолодже­н­ня перших від температури, яка є більшою їхнього фазового пере­ходу при рівноважних умовах. Походить від прі­звища нім. метало­знавця А. Мартенса. Утворюються у сталях і без­вуглец. сплавах на основі заліза, міді, титану та ін. металах з металами і домішками проника­н­ня, роз­чин­ність яких у високотемператур. рівноваж. фазі пере­вищує роз­чин­ність у низькотемператур. фазі при умові охолодже­н­ня високотемператур. фаз зі швидкостями вищими критичних до температури меншої точки М. (т-ри початку мартенсито­утворе­н­ня). Критич. швидкістю охолодже­н­ня називають найменшу швидкість охолодже­н­ня від температури на­гріва­н­ня високотемператур. фази до температури М., яка ви­значає мін. час, до­статній для подавле­н­ня процесів дифузій. пере­розподілу легуючих елементів у високотемператур. фазі під час її пере­охолодже­н­ня до температури М. Точкою М. ви­значають температуру, при якій термопружні напруже­н­ня, які роз­виваються при швидкому пере­охолоджен­ні високотемператур. фази, роз­пад якої був зупинений, стають спів­розмірними з пруж. властивостями цієї фази при тій же т-рі. М. зʼявляється унаслідок дисторсій. фазового пере­ходу II роду, при якому дифузійні зміще­н­ня атомів легувал. елементів можна не враховувати через їхню не­значущість. Іноді помилково до мартенситних, унаслідок лише спо­стережень за наявністю кри­сталогеом. від­повід­ності між взаємоперетворювал. фазами, від­носять фазові рекон­структивні пере­творе­н­ня І роду (напр., реверсивні пере­творе­н­ня при на­гріван­ні й охолоджен­ні чистих металів і сплавів). У цих випадках зміще­н­ня атомів при фазовому пере­ході досить великі, можливе вимірюва­н­ня швидкостей пере­творе­н­ня, а саме пряме та зворотнє пере­творе­н­ня характеризується конкрет. величинами енергій активації та по­стій. теплотою фазового пере­ходу. Роз­різняють М., які утворюються в пере­насич. твердих роз­чинах з елементами заміще­н­ня, та у роз­чинах з елементами проника­н­ня (вуглець, азот). Вони схожі за генезисом, однак значно від­різняються механізмами релаксац. процесів при пере­ході у стабіл. низькотемператур. стан. Цей пере­хід від­носиться до фазових пере­творень І роду. Зворотність, існува­н­ня гістерезису при прямому та зворот. пере­ході, ефект памʼяті форми, надпружність та ін., які спо­стерігаються у М. заміще­н­ня, у М. проника­н­ня принципово неможливі. Явище утворе­н­ня мартенсит. структур при гартуван­ні та їхній роз­пад при на­гріван­ні є теор. основою багатьох видів термозміцнень метал. матеріалів. Опис осн. характер. ознак мартенсито­утворе­н­ня узагальнено у працях рос. і укр. вчених: у сталях — С. Штейнбергом, у без­вуглец. сплавах і сплавах на основі кольор. металів — Г. Курдюмовим. Мартенсито­утворе­н­ня є ти­­по­­вим фазовим пере­ходом ІІ роду, в основі якого лежить пружне двій­никува­н­ня. Мартенсит. точкою є температура, при якій термопружні напруже­н­ня, що виникають під час гартува­н­ня пере­насич. твердих роз­чинів, стають спів­вимірними з пруж. характеристиками металу при тій же т-рі, що сприяє їхній релаксації шляхом без­дифуз. зсуву двій­нику­ва­н­ня. Цим пояснюється вплив вмісту легованих і вуглецю на точку М., а також вплив на неї роз­мір. фактора. У серед. 1950-х рр. введено термін «мартенситне пере­творе­н­ня», який від­ображав існуючу на той час неви­значеність, повʼязану з недо­статньо повним зна­н­ням. Цей термін водночас використовували для по­значе­н­ня пере­творе­н­ня при охолоджен­ні аустеніту в М., роз­паду вуглец. М. на ферит і цементит або зворот. пере­ходу М. заміще­н­ня в аустеніт при на­гріван­ні без­вуглец. сплавів та ін. Нині аналіз робіт, присвяч. мартенсито­утворен­ню, до­зволяє характеризувати М. як продукт релаксац. процесів, які від­буваються при гартуван­ні пере­насич. твердих роз­чинів проника­н­ня та заміще­н­ня. М. утворюється при охолоджен­ні зі швидкістю звуку та без­дифузійно і завжди є наслідком атерміч. релаксації. Мартенсито­утворе­н­ня від­бувається зсувовим шляхом у високотемператур. фазі, пере­охолодженої до температури нижче точки М., з утворе­н­ням у її обʼємі пруж. лінзоподіб. двій­ників, які можна роз­глянути у полі шліфа у ви­гляді голок і пластин як результат їхнього пере­різу при його під­готовці для металогр. дослідже­н­ня. Пружні двій­ники М. виникають за 10-6 сек. і не можуть бути продуктом фазового термічно активованого пере­творе­н­ня І роду, який від­бувається унаслідок утворе­н­ня зародків і їхнього подальшого роз­ро­ста­н­ня зі зменше­н­ням поверх­невої питомої енергії границь, як, напр., при кри­сталізації металів. М. проника­н­ня при на­гріван­ні понад 100 °С за­знає неконвертов. роз­паду на а-залізо та карбіди. Цим М., який виникає в аустеніті, від­різняється від М. заміще­н­ня, які утворюються, напр., у загартов. без­вуглец. сталях, сплавах на основі титану та цирконію тощо. М. у сплавах з елементами заміще­н­ня за­знають зворотності при на­гріван­ні з поміт. температур. гістерезисом при прямому та зворот. пере­ходах. Під час впливу ін. зовн. факторів (мех. деформува­н­ня з різними схемами навантаже­н­ня та величинами навантажень у пруж. і непруж. зонах, при накла­дан­ні магніт. полів) їхнього поводже­н­ня можна описувати за допомогою теорії пруж. двій­нику­­ва­н­ня. Це стосується явищ зворотності, надпружності, роз­двій­ни­кува­н­ня або пере­двій­никува­н­ня при зміні знака навантаже­н­ня. Тут пруж. деформува­н­ням можна збільшувати кількість мартенсит. структур, пришвидшуючи роз­виток релаксац. процесів, або зменшувати їх унаслідок роз­двій­ни­­ку­ва­н­ня. М., які утворюються у сталях з вуглецем або азотом, зворотність не властива. Їхнє поводже­н­ня при на­гріван­ні залежить від низки взаємоповʼязаних незворот. релаксац. процесів, об­умовлених дифузією вуглецю під впливом температури та пруж. полів, динаміч. зміни дис­локац. структури, кінетики утворе­н­ня та росту фаз проника­н­ня (карбіди й нітриди). Пружна деформація пере­насич. твердих роз­чинів вуглецю в аустеніті при т-рах побл. точки М. може у певних межах інтенсифікувати мартенсито­утворе­н­ня, але повністю виключає пе­­ре­двій­никува­н­ня мартенсит. лінз. Це слугує під­твердже­н­ням релаксац. моделі мартенсито­утворе­н­ня, фізика якої найпослідовніше роз­роблена С. Штейнбергом (екс­периментально під­твердив на вуглец. сталях). Мартенситний політипізм — утворе­н­ня мета­стабіл. мартенсит. політипів у метал. пере­насич. твердих роз­чинах заміще­н­ня з низькою енергією пакува­н­ня. Його від­крив укр. метало­знавець Б. Николин. Особлива форма утворе­н­ня М. у ви­гляді двовимірних з еквіди­статним роз­ташува­н­ням шарів М. у зерні матрич. фази в однакових кри­сталогеом. площинах. Най­ґрунтовніше ви­вчений у по­двій. і потрій. сплавах на основі заліза та кобальту, легованих хромом, нікелем, марганцем та ін. елементами. Для політип. структур характерна шаруватість мартенсит. структур, при яких подіб­ність параметрів у двох вимірюва­н­нях не від­повід­ає параметру у третьому. Мартенсит. політипізм не залежить від природи легувал. елементів, вони є карбідо­утворювал., графіто­утворювал. або індиферентними. Спільним для них є обмежена роз­чин­ність у рівноваж. матрич. металі. Мартенсит. політипізм, як і утворе­н­ня М. в обʼємі одного зерна, виникає унаслідок релаксації термопруж. напружень, але у різних формах її прояву. Мартенсит. політипізм принципово не від­різняється від М. ін. морфології, утворюється при однакових т-рах і зовн. тисках. Появі мартенсит. політипізму сприяють виникаючі при зовн. деформуван­ні автохвильові процеси, при яких фронт пластич. деформації, що рухається зі швидкістю звуку в металі, тобто зі швидкістю утворе­н­ня М., роз­діляється зонами пруж. і пластич. деформації. У місцях локалізації до­стат. пруж. напружень роз­тягува­н­ням від­буваються процеси релаксації двій­никува­н­ням, які спричиняють мартенсито­­утворе­н­ня. Причина їхньої різної періодичності й еквіди­стантність між шарами мартенсит. політипів пояснюється роз­поділом напружень при деформації, яка від­бувається в стиснених умовах. Мартенситні політипи утворюються вибухоподібно при однаковій т-рі, не мають зони термодинаміч. стійкості, характеризуються однаковою концентрацією легувал. елементів і подіб. фіз. властивостями. Їх описують тими ж ознаками, які притаман­ні мартенсит. двій­никам у пере­насич. твердих роз­чинах заміще­н­ня. Кількість шарів у мартенсит. політипах об­умовлено роз­мір. фактором так само, як і утворе­н­ня М. при від­сутності пруж. хвиль зміще­н­ня. Мартенситні політипи мають характерні ознаки, які притаман­ні всім мартенсит. структурам у сплавах заміще­н­ня, напр., властивість до роз­двій­никува­н­ня або пере­двій­никуван­­ня при накла­дан­ні зовн. навантаже­н­ня, володіють надпружністю та ефектом запамʼято­­вува­н­ня форми.

Літ.: Николин Б. И. Многослойные структуры и политипизм в метал­лических сплавах. К., 1964; Курдюмов Г. В., Утевский Л. М., Энтин Р. И. Превращения в железе и стали. Москва, 1977; Лысак Л. И., Николин Б. И. Физические основы термической обработки стали. К., 1978; Вовк Я. Н., Ошкадеров С. П. Кри­стал­ло­графические характеристики мартенсита, возникающего в условиях воздействия упругой деформации // ФММ. 2003. № 13; Ошкадеров С. П. К во­просу о природе мартенситообразования в углеродистых сталях // Успехи физики метал­лов. 2011. Т. 12; Його ж. К во­просу о мартенситном политипизме в сплавах замещения // Там само.

С. П. Ошкадьоров

Завантажити статтю