Вы когда-нибудь задумывались, что происходит со сталью при охлаждении? В этой статье мы исследуем удивительные превращения, такие как видманштаттен и мартенситная структура. Вы узнаете, как эти изменения влияют на свойства стали и почему они имеют значение для реальных применений. Приготовьтесь раскрыть секреты прочности и долговечности стали!
В реальном производстве гипоэвтектоидная сталь с содержанием углерода (ωc) менее 0,6% и гиперэвтектоидная сталь с содержанием углерода более 1,2% охлаждаются воздухом после литья, горячей прокатки и ковки. Сайт сварной шов или зона термического влияния охлаждается либо воздухом, либо, если температура слишком высока, быстро охлаждается. Это приводит к росту и осаждению доэвтектоидного феррита или доэвтектоидного цементита от границы зерен аустенита вдоль определенных кристаллических плоскостей аустенита в виде игл.
Под металлографическим микроскопом можно наблюдать наличие почти параллельно или регулярно расположенных акустических ферритов или цементитов и перлитной структуры между ними. Эта структура называется Видманштеттеном, а на следующем рисунке показан Видманштеттен феррита и цементита.
Феррит Видманштаттена формируется по механизму сдвига, аналогичному процессу в бейните. В результате получается выпуклый образец.
Из-за высокой скорости охлаждения во время формирования феррит может осаждаться только вдоль определенной кристаллической поверхности аустенит и имеет связь кристаллической ориентации со своей родительской фазой - аустенитом.
Образование акулярного феррита может происходить непосредственно из аустенита или сетевой феррит может осаждаться по границам зерен аустенита и параллельно врастать в кристалл.
По мере формирования феррита Видманштаттена углерод диффундирует из феррита в родительскую фазу, аустенит, с обеих сторон, вызывая содержание углерода аустенита между иглами феррита постоянно увеличивается и в конце концов превращается в перлит.
Феррит Видманштаттен, образующийся по механизму бейнитного превращения, на самом деле является бейнитом без углерода.
Формирование структуры Видманштаттена зависит от содержания углерода, размера зерна аустенита и скорости охлаждения (температуры превращения) в стали.
На следующем рисунке показаны температура образования и диапазон содержания углерода для различных ферритов и цементитов. Как видно из рисунка, структура Видманштаттена (зона W) может формироваться только при относительно быстрых скоростях охлаждения и в определенном диапазоне содержания углерода.
Для гипоэвтектоидной стали, если массовая доля углерода превышает 0,6%, формирование структуры Видманштаттена становится затруднительным из-за высокого содержания углерода и низкой вероятности образования бедной углеродом зоны.
Исследования показывают, что для гипоэвтектоидной стали структура Видманштаттена может сформироваться только при содержании углерода в узком диапазоне от ωc = 0,15% до 0,35% и высокой скорости охлаждения, при мелком размере зерна аустенита.
Чем мельче зерна аустенита, тем легче формируется сетевой феррит, но не структура Видманштаттена. С другой стороны, чем крупнее зерно аустенита, тем легче формируется структура Видманштаттена, а диапазон содержания углерода, необходимого для ее формирования, становится шире.
Таким образом, структура Видманштаттена обычно наблюдается в стали с крупнозернистой структурой аустенита.
(1) Видманштаттен - это тип перегретой структуры в стали, которая может оказывать негативное влияние на механические свойства стали. Это включает в себя снижение ударной вязкости и пластичности, а также повышение температуры хрупкого перехода, что делает сталь более склонной к хрупким разрушениям.
(2) Широко известно, что прочность и ударная вязкость стали значительно снижаются только тогда, когда зерна аустенита огрубевают, появляется грубая ферритная или цементитная структура Видманштаттена, а матрица серьезно фрагментируется.
Однако, когда зерно аустенита относительно мелкое, даже при наличии небольшого количества ацикулярной ферритной структуры Видманштаттена, механические свойства стали не будут значительно ухудшены. Это объясняется более мелкой субструктурой и более высокой плотностью дислокаций феррита в структуре Видманштаттена.
(3) Снижение механических свойств стали из-за структуры Видманштаттена всегда связано с огрублением зерен аустенита. Если в стали или литье появляется структура Видманштаттена, снижающая механические свойства, в первую очередь необходимо выяснить, не вызвано ли это огрублением зерна аустенита под воздействием высоких температур нагрева.
(4) Для сталей, склонных к структуре Widmanstatten, ее можно предотвратить или устранить путем надлежащего контроля процесса прокатки, снижения конечной температуры ковки, контроля скорости охлаждения после ковки или изменения процесса термообработки, например закалка и отпускДля измельчения зерна применяют нормализацию, отжиг или изотермическую закалку.
1. Определение
(1) Мартенситное превращение: Недиффузионное фазовое превращение, происходящее при быстром охлаждении стали из аустенитного состояния для предотвращения ее диффузионного распада (ниже Точка MS) известно как мартенситное превращение.
Важно отметить, что превращение характерно для мартенсита, и все продукты превращения называются мартенситом.
(2) Мартенсит: По сути, мартенсит в стали - это интерстициальный твердый раствор, в котором углерод перенасыщен α-Fe.
2. Кристалл структура мартенсита
Мартенситная кристаллическая структура может принимать следующие формы:
3. Микроструктура мартенсита
В стали существует две основные формы мартенсита: реечный мартенсит (дислокационный мартенсит) и пластинчатый мартенсит (также известный как игольчатый мартенсит).
(1) Реечный мартенсит
Решетчатый мартенсит - распространенная мартенситная структура, встречающаяся в низкоуглеродистой и среднеуглеродистой стали, мартенситной стали, нержавеющей стали и других сплавах на основе железа.
a) Структурная морфология: мартенситовая планка (D) → мартенситовый пучок (B-2; C-1) → группа планок (3-5) → мартенсит планки.
б) Плотные планки обычно разделены остаточным аустенитом с высоким содержанием углерода.
Наличие этого тонкого слоя остаточного аустенита может значительно улучшить механические свойства стали.
в) В реечном мартенсите имеется большое количество дислокаций, и их распределение неравномерно.
Он образует ячеистую субструктуру, называемую дислокационной ячейкой, поэтому его также называют дислокационным мартенситом.
(2) Пластинчатый мартенсит
Пластинчатый мартенсит встречается в высокоуглеродистой стали (ωC > 0,6%), никелевой (ωNi = 30%) нержавеющей стали, а также в некоторых цветных металлах и сплавах.
Похожие статьи: Черные и цветные металлы
(a) Структурная морфология: Пространственная морфология пластинчатого мартенсита имеет форму выпуклой линзы.
Из-за резки образца во время полировки его поперечное сечение под оптическим микроскопом кажется игольчатым или похожим на бамбуковый лист.
Поэтому пластинчатый мартенсит также известен как игольчатый мартенсит или мартенсит типа "бамбуковый лист".
(b) Характеристики микроструктуры: Листы мартенсита в пластинчатом мартенсите не параллельны друг другу.
В зерне аустенита мартенсит, образованный первым листом, часто охватывает все зерно аустенита и разделяется на две части, в результате чего размер листов мартенсита, образовавшихся позже, становится все меньше и меньше.
(c) Размер: Максимальный размер пластинчатого мартенсита зависит от исходного размера зерна аустенита. Чем больше зерно аустенита, тем крупнее лист мартенсита.
(d) Криптокристаллический мартенсит: Когда самый большой кусок мартенсита слишком мал, чтобы его можно было различить в оптический микроскоп, его называют "криптокристаллическим мартенситом".
Мартенсит, получаемый при нормальной закалке в производстве, обычно имеет форму криптокристаллического мартенсита.
(e) Субструктура: Субструктура пластинчатого мартенсита преимущественно двойниковая, поэтому его также называют двойниковым мартенситом.
Двойники обычно располагаются в центре мартенсита и не распространяются на краевую область мартенситного листа. Краевая область содержит дислокации высокой плотности.
В стали с содержанием углерода ωC > 1,4% в средней линии хребта мартенситного листа видна тонкая двойниковая область с высокой плотностью.
(f) Микротрещины: Быстрое образование мартенсита создает значительное поле напряжений при столкновении с другими границами зерен мартенсита или аустенита.
Пластинчатый мартенсит твердый и хрупкий, напряжение в нем не может быть снято путем скольжения или двойниковой деформации, что делает его восприимчивым к образованию ударных трещин.
В целом, чем крупнее зерна аустенита и чем больше лист мартенсита, тем больше микротрещин образуется после закалки. Наличие микротрещин повышает хрупкость деталей из высокоуглеродистой стали.
Под влиянием внутреннее напряжениеМикротрещины со временем превращаются в макротрещины, что приводит к растрескиванию заготовки или заметному снижению ее усталостной прочности.
(g) Морфология: Морфология мартенсита в первую очередь зависит от содержания углерода в аустените и связана с температурой начала мартенситного превращения (MS-точка) стали.
Чем выше содержание углерода в аустените, тем ниже точки MS и MF.
| Содержание углерода | Форма | Температура образования (общая) |
| ωC＜0.2% | реечный мартенсит | Выше 200 ℃ |
| ωC>0.6% | пластинчатый мартенсит | Ниже 200 ℃ |
| ωC=0.2%~1% | Смешанная конструкция из реек и листов | Сначала формируется дощатая лошадь, а затем - фигурная. |
(h) Влияние элементов на морфологию мартенсита: Такие элементы, как Cr, Mo, Mn и Ni (которые понижают точку MS) и Co (который повышает точку MS), увеличивают вероятность образования пластинчатого мартенсита.
4. Свойства мартенсита
(1) Механические свойства: Мартенсит характеризуется высокой прочность и твердость.
(2) Влияние содержания углерода на свойства: Твердость мартенсита в основном зависит от содержания углерода.
Когда ωC < 0,5%, твердость мартенсита круто возрастает с увеличением содержания углерода.
Однако, когда ωC > 0,6%, хотя твердость мартенсита увеличивается, твердость стали снижается из-за наличия большего количества остаточного аустенита.
(3) Влияние легирующих элементов: Легирующие элементы оказывают минимальное влияние на твердость мартенсита, но могут повысить его прочность.
(4) Твердость: Мартенсит имеет различные уровни твердость и прочностькоторые достигаются в основном за счет укрепления растворов, фазовых превращений и старения.
Подробности таковы:
Упрочнение твердого раствора: Наличие междоузельных атомов в октаэдрической щели решетки α-фазы создает квадратное искажение решетки, которое порождает поле напряжений.
Это поле напряжений сильно взаимодействует с дислокациями, повышая тем самым прочность мартенсита.
Упрочнение при фазовых превращениях: Во время превращения в мартенсит в кристалле образуются дефекты кристаллической решетки высокой плотности. Дислокации высокой плотности в реечном мартенсите и двойники в пластинчатом мартенсите препятствуют движению дислокаций, тем самым укрепляя мартенсит.
Упрочнение при старении: После образования мартенсита углерод и элементы сплава атомы диффундируют, разделяются или осаждаются на дислокациях или других дефектах решетки, фиксируя дислокации и затрудняя их перемещение, тем самым упрочняя мартенсит.
(5) Прочность мартенсита: Чем меньше размер группы реек или листа мартенсита, тем выше прочность мартенсита. Это объясняется тем, что граница раздела фаз мартенсита препятствует движению дислокаций, и чем меньше исходное зерно аустенита, тем выше прочность мартенсита.
Пластичность и вязкость мартенсита зависят в первую очередь от его субструктуры. Двойной мартенсит обладает высокой прочностью, но низкой вязкостью, в то время как дислокационный мартенсит имеет и высокую прочность, и хорошую вязкость.
(6) Объем мартенсита: Среди различных структур в стали аустенит имеет наименьший удельный объем, а мартенсит - наибольший.
Таким образом, объемное расширение стали во время закалки является основным фактором, приводящим к образованию больших внутреннее напряжениедеформации и даже трещины в заготовке.
Движущей силой мартенситного превращения, как и других фазовых превращений в твердых телах, является разность химической свободной энергии на единицу объема между новой фазой (мартенситом) и родительской фазой (аустенитом). На сопротивление этому фазовому переходу также влияют энергия взаимодействия и энергия деформации, возникающие при образовании новой фазы.
Несмотря на наличие когерентной границы раздела между аустенитом и мартенситом, энергия границы мала. Большая энергия когерентной деформации, обусловленная значительной разницей в удельном объеме мартенсита и аустенита и необходимостью преодолевать сопротивление сдвигу и генерировать многочисленные дефекты решетки, приводит к увеличению энергии упругой деформации и большому сопротивлению превращению мартенсита. В результате требуется достаточное переохлаждение, чтобы движущая сила превращения превысила сопротивление превращению, что позволяет осуществить превращение из аустенита в мартенсит.
Температура начала мартенситного превращения, обозначаемая как "ms", определяется как температура, при которой разница свободной энергии между мартенситом и аустенитом достигает минимальной движущей силы, необходимой для превращения.
Мартенситное превращение - это превращение переохлажденного аустенита, происходящее при низких температурах.
По сравнению с перлитным и бейнитным превращениями мартенситное превращение имеет следующие отличительные особенности:
Мартенситное превращение происходит при переохлаждении аустенита. В это время активность атомов железа, атомов углерода или элементов сплава очень низка, поэтому превращение происходит без диффузии. Происходит только перестройка правил решетки, и не происходит изменения состава между новой и родительской фазами.
Под сдвигом понимается деформация, вызванная двумя параллельными силами, близкими, равными по величине и противоположными по направлению, действующими на один и тот же объект. Во время мартенситного превращения верхняя поверхность предварительно отполированного образца наклоняется и становится выпуклой, что свидетельствует о том, что превращение мартенсита напрямую связано с макроскопическими свойствами родительской фазы и что мартенсит образуется в результате сдвига.
Мартенсит и его родительская фаза, аустенит, остаются когерентными, причем атомы на границе раздела принадлежат как мартенситу, так и аустениту. Граница раздела фаз - это граница зерен, когерентная при сдвиге, также известная как плоскость привычки.
Мартенситное превращение - это процесс фазового превращения, при котором новая фаза образуется на определенных кристаллических и габитусных плоскостях родительской фазы и сохраняет целостность при сдвиге родительской фазы.
Зарождение мартенсита
Зарождение мартенсита происходит не равномерно по всему сплаву, а в благоприятных местах родительской фазы, таких как дефекты кристаллической решетки, области деформации или области с низким содержанием углерода.
Процесс мартенситного превращения
Как и другие твердофазные переходы, мартенситное превращение также происходит путем зарождения и роста. Превращение представляет собой миграцию атомов на короткие расстояния, и после образования кристаллического ядра скорость роста очень высока (102-106 мм/с) и остается высокой даже при низких температурах.
Скорость мартенситного превращения
Скорость мартенситного превращения определяется скоростью зарождения и заканчивается, когда все ядра, превышающие критический радиус зарождения, исчерпаны. Чем больше недоохлаждение, тем меньше критический размер зарождения. Для того чтобы меньшие ядра зародились и выросли в мартенсит, необходимо дальнейшее охлаждение.
Для общепромышленной углеродистой стали и легированная стальМартенситное превращение происходит при непрерывном (с переменной температурой) охлаждении. Аустенит в стали охлаждается ниже точки MS со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, что приводит к немедленному образованию некоторого количества мартенсита. Превращение не имеет инкубационного периода, и с понижением температуры образуется дополнительный мартенсит, при этом первый образовавшийся мартенсит не растет. С понижением температуры мартенситное превращение усиливается.
Степень мартенситного превращения определяется исключительно температурой, достигнутой при охлаждении, и не зависит от времени выдержки.
Сохранившийся аустенит
Если точка Ms высокоуглеродистой и многих легированных сталей находится выше комнатной температуры, а точка Mf - ниже комнатной температуры, то после закалки и охлаждения до комнатной температуры останется значительное количество нетрансформированного аустенита, который называется сохранившийся аустенит.
Чтобы полностью преобразовать сохранившийся аустенитЕго можно подвергнуть "холодной обработке", например, поместить в жидкий азот.
Факторы, влияющие на количество сохранившегося аустенита, включают повышенное содержание углерода и присутствие элементов, снижающих МС.
Механическая стабилизация восстановленного аустенита
Механическая стабилизация аустенита относится к явлению стабилизации, вызванному большой пластической деформацией или сжимающим напряжением во время закалки. Сохраненный аустенит связан с механической стабилизацией. Аустенит, окруженный мартенситом, находится в сжатом состоянии и не может трансформироваться, что приводит к его сохранению.
Мартенсит, вызванный деформацией (деформированный мартенсит)
Пластическая деформация аустенита выше точки MS может привести к мартенситному превращению. Чем больше степень деформации, тем больше степень мартенситного превращения. Это называется мартенситным превращением, вызванным деформацией.
Обратимость - это способность некоторых видов железа, золота, никеля и других цветных металлов превращать аустенит в мартенсит при охлаждении, а затем снова в аустенит при повторном нагреве без диффузии.
Однако такое обратное превращение в соответствии с механизмом мартенситного превращения обычно не происходит в углеродистой стали, поскольку мартенсит при нагреве распадается на феррит и карбид. Этот процесс известен как отпуск.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO