2 Мартенситне перетворення деформації
Мартенситні голчасті утворення зазвичай строго орієнтовані одне відносно іншого під кутами в 60 та 120°. Ці голчасті утворення отримуються в наслідок перетину тонких пластинчастих кристалів мартенситу площиною шліфу.
Тонка кристалічна структура мартенсита вперше була встановлена в досліді Н. Я. Селякова, Г. В. Курдюмова та Н. Т. Гудцова. Вона є перенасиченим твердим розчином вуглецю в α-залізі. Велике перенасичення твердого розчину (десяті долі і проценти вуглецю при розчинності порядку сотих та тисячних долей відсотка) призводить до отримання тетрагональної решітки.
Мартенсит характеризується виключно високою твердістю, порядка 700 НВ. Експериментально показано, що викривлення, викликане впровадженням атомів вуглецю, призводить до зниження границі пружності, тобто появі пластичної деформації при напруженнях більш низьких, ніж для безвуглецевого відпаленого фериту. В зв’язку з цим було припущено, що твердіння мартенситу відбувається в процесі випробовування механічних властивостей за рахунок блокування площин ковзання дисперсними частками карбідної фази, що випадають при деформуванні.
Так як твердість є мірою опору пластичній деформації, яка суттєво ускладнюється при наявності великих викривлень, висока твердість мартенситу може бути пов’язана з наявністю великих викривлень третього роду. Слід також відмітити, що ефект зміцнення спостерігається при мартенситному перетворенні в практично без вуглецевих сплавах заліза.
Таким чином, висока твердість мартенситу пов’язана головним чином з подрібненням блоків мозаїчної структури та іншими ефектами, що викликані фазовим наклепом. В свою чергу причиною фазового наклепу є суттєве збільшення питомого об’єму при перетворенні аустеніта в мартенсит. Так як із збільшенням вмісту вуглецю в сталі ця різність суттєво зростає, то, відповідно, разом з цим зростає і ефект фазового наклепу і твердості сталі. При цьому слід враховувати перешкоди деформуванню, додатково створюванні впровадженими атомами вуглецю.
При збільшенні концентрації вуглецю від 0,01 до 0,1; 0,2 та 0,5% твердість зростає від 20 до 40, 50 та 65 HRC, відповідно. Подальше збільшення вмісту вуглецю не змінює твердість мартенситу. Якщо б твердість мартенситу визначалась уповільнюючим впливом впроваджених атомів вуглецю чи випадаючих в процесі випробовування карбідних часток, твердість повинна буда б неперервно збільшуватись. Зміна твердості з переходом до постійної величини (при досягненні 0,5% С) є характерним для наклепу (в даному випадку фазового), коли після досягнення певної ступені зміцнення подальша пластична деформація не призводить до суттєвої зміни твердості.
Суттєва відмінність мартенситного перетворення від інших видів фазових перетворень – це необхідність досягнення певної ступені переохолодження, без якої процес неможливий. Він здійснюється шляхом напрямлених переміщень груп атомів, при зберіганні зв’язку між решітками аустеніта і мартенсита.
Тобто чутливість до адаптації сталей і сплавів до зовнішніх механо-енергетичних впливів, що приводять до мартенситного (γ→α) перетворення, залежить від температури мартенситної точки, що у значній мірі визначається вмістом вуглецю і легуючих елементів у твердому розчині. При цьому найбільш повне перетворення аустеніту у мартенсит деформації протікає при температурі мартенситної точки близької до 20ºС. Саме тому важливою задачею при вивченні цих процесів є дослідження розподілу витрат енергії, тобто її дисипації, яка здійснює запуск механізмів зміцнення робочої поверхні деталі, що зношується.
Для утворення кристалів мартенситу в результаті механічного впливу на робочу поверхню необхідні витрати енергії на пружну і пластичну деформацію, утворення поверхні вкраплень мартенситу. Величина енергії (Ем), яка необхідна для здійснення цієї роботи буде складати – різницю вільних енергій вихідної Е`сд і кінцевої Есд фаз – (рис. 2.1)[1].
Та – область забагато нижчих за нуль температур;
Мн – температура початку мартенситних перетворень;
М'н – температура початку мартенситних перетворень при збільшенні приросту енергії деформації Е;
Ем – різниця вільних енергій.
Рисунок 2.1 – Залежність вільної енергії вихідної Е'сд і кінцевої Есд фаз від температури початку утворення мартенситу деформації [1].
Утворення мартенситу деформації супроводжується складним зрушенням у кристалічній гратці метастабільного аустеніту. При зовнішньому силовому впливі в процесі зношування метал робочої поверхні отримує енергію, необхідну для (γ→α) перетворення. Таким чином утворення мартенситу деформації може відбуватися при температурі вище за Мн, тому що відсутня різниця вільних енергій буде доповнюватися енергією деформації Ем (див. рис. 1). У зв'язку з цим величина енергії початку перетворення Есд знижується до Есд′, тобто температура початку мартенситного перетворення підвищується з Мн до Мн′ [1].
У стабільних аустенітних сплавах величина напружень σм, при якому може відбутися утворення мартенситу деформації (рис. 2.2), знаходиться в області дуже великих значень (35 – 44,5 МПа), тому руйнування сплавів під впливом абразивів настає раніш, ніж почнуться мартенситні перетворення.
Рисунок 2.2 – Залежність масової частки мартенситу від напруження деформації
Аналіз графічної залежності масової частки мартенситу від величини напружень деформації показав, що на ділянці А-В (рис.2.2) спостерігається збільшення масової частки мартенситу пропорційно напруженням деформації матеріалу. Точка В є межею пропорційного росту мартенситу. Підвищення напружень на ділянці В-С викликає незначне підвищення масової частки мартенситу деформації, що пов'язано з насиченням поверхневого шару металу енергією переданої через абразив і, як наслідок визначає загасання процесів пластичного деформування поверхневих шарів металу. На ділянці С-Д-Е вміст мартенситу деформації на поверхні матеріалу практично не росте при збільшенні напружень деформації. В цій області можуть бути відтворені небезпечно великі напруження, які здатні спровокувати руйнування металу через значне перевищення припустимого енергетичного впливу навіть при утворенні мартенситу деформації. При цьому точка σд є граничною на відрізку С-Д-Е і її положення залежить від різниці енергій, прикладених до поверхні тертя Еа й енергії дисипації самого сплаву Ед, що у свою чергу визначається енергією (Еγ→α), яка витрачається на протікання γ→α перетворень і вільною питомою енергією Ем матеріалу. Таким чином, ділянка С-Д обмежує інтервал допустимих напружень деформації (σс-д), при якому ще не відбувається руйнування матеріалу, оскільки енергія, передана абразивним тілом до робочої поверхні деталі витрачається на утворення нових фаз. Збільшення деформацій вище критичних – більше σд, завжди буде викликати руйнування матеріалу.
Таким чином нам необхідно забезпечити такі напруження деформації, що не перевищують напруження, відповідні точці С, і входять в інтервал В-С.
За результатами рентгеноструктурного аналізу при пошаровому вивченні поверхні металу встановлена кількість мартенситу деформації і його розподіл по глибині (рис. 2.3).
♦ - Х12Ф1 після загартування з 1170ºС(502HV; 83%-γ; 9%-α);
□ - Х12Ф1 після загартування з 1140ºС(650HV; 48,7%-γ; 43%-α);
● – 240Х12В7(502HV; 26%-γ; 39%-α);
○ – 270Х12Б1(597HV; 48%-γ; 12%- α);
▲- Х12Ф1 після загартування з 1150ºС (804HV; 36,6%- γ; 50%- α).
Рисунок 2.3 – Масова частка мартенситу деформації, що утворюється в робочому шарі сплавів при зношуванні