Наука мартенситной трансформации во время закалки

Мартенситическая трансформация представляет собой одно из самых увлекательных и промышленно значимых явлений в металлургии и материаловедении. Эта трансформация играет ключевую роль в микроструктурной эволюции и пластичности многих инженерных материалов, коренным образом меняя то, как металлы работают при стрессе, износе и экстремальных условиях. Понимание сложной науки, стоящей за мартенситной трансформацией при закалке, необходимо для металлургов, инженеров и производителей, которые стремятся оптимизировать механические свойства стали и других сплавов для требовательных применений.

Процесс мартенситной трансформации произвел революцию в различных отраслях промышленности, от автомобилестроения до аэрокосмической техники, строительства и производства инструментов. Это процесс, который происходит за доли секунды и все же имеет потенциал для радикального изменения свойств металла. Это всестороннее исследование углубляется в фундаментальные механизмы, кристаллографические изменения, термодинамические принципы и практические применения мартенситной трансформации при закалке, обеспечивая глубокое понимание этого критического металлургического процесса.

Понимание мартенситной трансформации: основы

Исторический контекст и открытие

Структурная трансформация, связанная с быстрым охлаждением железа и стали, была впервые изучена Адольфом Мартенсом в конце 19 века.Открытие мартенсита восходит к немецкому металлургию Адольфу Мартенсу, который определил одноимённую фазу в конце 19 века.С момента этого новаторского открытия понимание мартенситной трансформации значительно эволюционировало, перейдя от эмпирических наблюдений к сложным теоретическим моделям, поддерживаемым передовыми методами характеристики.

Термин «мартенсит» был первоначально придуман для описания жесткого и мелкодисперсного компонента, который возникает в сталях, подвергнутых быстрому охлаждению, и эволюционировал, чтобы охватить полученный продукт, возникающий из таких преобразований более инклюзивным образом.

Определение мартенситной трансформации

Мартенситическая трансформация представляет собой диффузионные фазовые переходы, которые происходят в сплавах, особенно в стали, когда они быстро охлаждаются от высоких температур. Это определение подчеркивает несколько критических характеристик, которые отличают мартенситную трансформацию от других фазовых трансформаций в металлургии.

Мартенситные превращения диффузионны и характеризуются коллективным движением атомов на расстояниях, которые обычно меньше одного ближнего расстояния.В отличие от других фазовых превращений, характеризующихся диффузией атомов, мартенситное превращение происходит через кооперационное смещение атомов на очень коротких расстояниях.Это фундаментальное различие в механизме приводит к резко различной кинетике и полученным микроструктурам по сравнению с диффузионно-управляемыми преобразованиями.

Это твердотельный фазовый переход первого порядка с дисплузивной природой (без атомной диффузии), состоящий из однородной решетчатой деформации, ведущей к новой кристаллической структуре.Дисплацивный характер означает, что атомы движутся скоординированным, военным образом, а не посредством случайной диффузии, поэтому некоторые называют их военными преобразованиями, в отличие от гражданских фазовых изменений на основе диффузии.

Диффузионная природа трансформации

Диффузионный характер мартенситного преобразования является одной из его наиболее определяющих особенностей.Преобразование является диффузионным, поскольку скорость интерфейса больше, чем способность атомов, таких как углерод, диффундировать, и, следовательно, углерод остается в ловушке твердого раствора, и новая фаза формируется посредством скоординированной, хореографической деформации решетки, а не стохастического атомного движения.

Мартенсит имеет точно такие же составы, как и его родительская аустенитная фаза — углерод в твердом растворенном состоянии в бывшем аустените остается в твердом растворенном состоянии в мартенсите, а атомы углерода занимают точно такие же октаэдрические участки в мартенсите, как и в октаэдрических участках в октаэдрической кубической аустенитной матрице без диффузии.Эта композиционная инвариантность является отличительной чертой мартенситной трансформации и отличает ее от реконструктивных преобразований, где диффузия позволяет композиционные изменения.

Рост мартенситной фазы требует очень мало энергии тепловой активации, потому что процесс является диффузионным преобразованием, которое приводит к тонкой, но быстрой перестройке атомных положений, и, как известно, происходит даже при криогенных температурах.Это низкое требование энергии активации объясняет, почему мартенситная трансформация может происходить с чрезвычайно высокими скоростями и при очень низких температурах, где диффузия будет по существу заморожена.

Кристаллографические изменения во время мартенситной трансформации

От аустенита к мартенситу: структурный переход

Мартензитное преобразование в стали предполагает фундаментальное изменение кристаллической структуры.Бейн (1924) выдвинул механизм преобразования кубического аустенита с центром лица в тетрагональный мартенсит в сталях, в которых структурное изменение считалось вызванным однородной деформацией родительской решетки. Эта модель деформации Баина была усовершенствована на протяжении десятилетий, но остается центральной для понимания кристаллографических аспектов преобразования.

Преобразование начинается, когда аустенит, высокотемпературная стабильная фаза стали, быстро охлаждается, и лицевая кубическая структура аустенита превращается в искаженную тетрагональную структуру.В результате закалки лицевая кубическая аустенит превращается в сильно напряжённую телоцентрированную тетрагональную форму, называемую мартенситом, перенасыщенным углеродом.

Мартенсит — это перенасыщенный твердый раствор углерода в железе, имеющий телоцентрированную тетрагональную структуру, искаженную форму бкк железа.Тетрагональное искажение возникает из-за присутствия атомов углерода, попавших в ловушки в межстициальных участках телоцентрированной структуры.Интерстициальному твердому раствору углерода расширяется решётка фкк железа равномерно, но при бкк железе расширение несимметрично, что приводит к тетрагональному искажению.

Деформация беинового напряжения и решетки

Штамм Bain правильно преобразует кристаллическую структуру аустенита в структуру мартенсита, а при сочетании с соответствующим вращением жесткого тела приводит к правильной ориентации, однако полное кристаллографическое описание требует больше, чем просто штамм Bain.

С кристаллографической точки зрения изменение кристаллической структуры происходит при однородной деформации решётки, но дополнительный решётчатый инвариантный сдвиг, возникающий при скольжении или при попарении, вместе с вращением жёсткого тела также приходится рассматривать для того, чтобы сохранить инвариантную плоскость привычки.Эта феноменологическая теория мартенситного преобразования обеспечивает математическую основу для соотнесения всех кристаллографических особенностей родительской и продуктовой фаз.

Мартенситные превращения вызваны движением интерфейса между родительской и продуктовой фазами, и по мере продвижения интерфейса атомы в родительской решётке перестраиваются в более энергетически благоприятную мартенситную структуру.Смещение атомов относительно мало (менее одного межатомного промежутка) по величине и никаких композиционных изменений не происходит.

Привычные самолеты и структура интерфейса

Интерфейс между родительской фазой (аустенит) и фазой продукта (мартенсит) составляет инвариантная плоскость, обозначаемая как плоскость привычки (в общем, с иррациональными индексами Миллера), и трансформация протекает движением плоскости привычки.План привычки является характерной кристаллографической особенностью, которая остается неискаженной и невращенной во время трансформации.

Латы имеют четко определенную плоскость привычки, и они обычно встречаются на нескольких вариантах этой плоскости в каждом зерне, и плоскость привычки не является постоянной, а изменяется по мере увеличения содержания углерода.Это изменение в плоскости привычки с составом отражает изменяющийся баланс штаммов и энергий, участвующих в трансформации.

Мартенситовые пластины образуются мгновенно во время быстрого закалки, и, как сообщается, аустенитный/мартенситовый интерфейс движется со скоростью, близкой к скорости звука в металле. Эта чрезвычайно высокая скорость возможна, поскольку интерфейс преобразования должен быть очень мобильным и иметь возможность двигаться без необходимости диффузии, а интерфейс должен быть глиссильным.

Изменения объема и стрижка

Мартенсит имеет меньшую плотность, чем аустенит, так что мартенситное преобразование приводит к относительному изменению объема. Это внезапное преобразование приводит к расширению объема и значительному увеличению твердости. Расширение объема обычно составляет порядка 2-4% в зависимости от содержания углерода.

Значительно большее значение, чем изменение объема, имеет сдвигающий штамм, который имеет величину около 0,26 и который определяет форму пластин мартенсита. Помимо изменения кристаллической симметрии, преобразование вызывает деформацию (главным образом сдвига на плоскости привычки), а также изменение объема. Эти изменения формы отвечают за характерный рельеф поверхности, наблюдаемый на полированных образцах.

Только что образовавшийся мартенситный кристалл смещен частично над и частично под поверхностью родительского аустенита сдвигом, а исходная горизонтальная поверхность аустенита наклонена в новую ориентацию сдвигом и легко рассматривается как поверхностный рельеф, который происходит.Это поверхностный рельеф обеспечивает прямое визуальное свидетельство сдвига природы преобразования.

Процесс квинчинга: быстрое охлаждение для образования мартенсита

Что такое Квинчинг?

В материаловедении гашение — это быстрое охлаждение заготовки в воде, газе, масле, полимере, воздухе или других жидкостях для получения определенных свойств материала.Тип термообработки, гашение предотвращает нежелательные низкотемпературные процессы, такие как фазовые преобразования.

Кунширование включает быстрое охлаждение металла для регулирования механических свойств его исходного состояния и для выполнения процесса закалки металл нагревается до температуры, большей, чем при нормальных условиях, обычно где-то выше температуры рекристаллизации, но ниже температуры плавления. Куншинг является важным шагом в термообработке стали, где целью является быстрое охлаждение аустенитной фазы (полученной путем нагревания стали до определенной температуры) для превращения его в мартенсит.

В металлургии гашение чаще всего используется для закалки стали путем индуцирования мартенситного превращения, где сталь должна быстро охлаждаться через свою эвтектоидную точку, температура, при которой аустенит становится нестабильным.Ключом к успешному гашению является достижение скорости охлаждения достаточно быстро, чтобы подавить диффузионно-управляемые превращения, способствуя мартенситному превращению.

Стадия аустенизации

Прежде чем может произойти закалка, сталь должна быть сначала нагрета в аустенитную фазовую область. Первый шаг - нагреть сталь и позволить ей впитываться при температуре выше температуры эвтектического перехода, которая является температурой, при которой атомы углерода могут диффундировать через железо, и это позволяет железу изменяться от кубической (BCC) ферритной кристаллической структуры к аустениту с центром на лице (FCC).

Для большинства применений температура аустенита примерно на 25-30°C выше температуры Ac3. Металл может удерживаться при этой температуре в течение заданного времени, чтобы тепло «замачивало» материал. Это время замачивания обеспечивает полное превращение в аустенит и гомогенизацию микроструктуры перед закалкой.

Аустенитизирующая температура и время являются критическими параметрами, влияющими на конечные свойства закаленной стали. Более высокие аустенитизирующие температуры могут растворять больше карбидов и производить более однородный аустенит, но чрезмерные температуры могут приводить к росту зерна, что может нанести ущерб механическим свойствам. Время замачивания должно быть достаточным для обеспечения полного преобразования поперечного сечения детали.

Критическая скорость охлаждения и CCT-диаграммы

Скорость охлаждения быстрее, чем его критическая скорость охлаждения, позволяет избежать превращения аустенита диффузионными процессами (в перламут и/или байнит), но вместо этого превращается в мартенсит — продукт диффузии с меньшим сдвигом.

Очень быстрое угасание необходимо для создания мартенсита, и для эвтектоидной углеродистой стали тонкого сечения, если угасание начинается при 750 ° C и заканчивается при 450 ° C происходит за 0,7 секунды (скорость 430 ° C / с), не образуется перлит, и сталь будет мартенситной с небольшим количеством удерживаемого аустенита. Это иллюстрирует чрезвычайно быстрые скорости охлаждения, необходимые для полного мартенситного преобразования в простых углеродных сталях.

Диаграммы непрерывного охлаждения (CCT) являются важными инструментами для понимания и управления процессом закалки. Эти диаграммы показывают фазы, которые образуются в зависимости от скорости охлаждения и обеспечивают руководство по скорости охлаждения, необходимой для достижения конкретных микроструктур. Элементы легирования сдвигают кривые CCT в более длительное время, что облегчает достижение мартенситного преобразования с более медленными скоростями охлаждения.

Предотвращение нежелательных трансформаций

Куншинг делает это, уменьшая окно времени, в течение которого эти нежелательные реакции являются термодинамически благоприятными и кинетически доступными; например, закалка может уменьшить размер кристаллического зерна как металлических, так и пластиковых материалов, увеличивая их твердость.Быстрое охлаждение по существу «замораживает» высокотемпературную аустенитную структуру, прежде чем она сможет трансформироваться в фазы равновесия.

Скорость охлаждения не позволяет атомам перестраиваться, как это было бы при медленном охлаждении. Во время медленного охлаждения аустенит трансформировался бы в феррит и цементит (перлит) или в бейнит, в зависимости от температурного диапазона. Эти преобразования включают диффузию атомов углерода и железа и приводят к более мягким микроструктурам. Кунчинг полностью обходит эти преобразования, охлаждаясь слишком быстро для диффузии.

Если скорость охлаждения медленнее критической скорости охлаждения, то образуется некоторое количество перлитов, начиная с границ зерен, где он будет расти в зерна до достижения температуры Ms, то оставшийся аустенит превращается в мартенсит примерно с половиной скорости звука в стали.Это частичное преобразование приводит к смешанным микроструктурам с пониженной твердостью по сравнению с полностью мартенситными структурами.

Квинчинг СМИ: выбор и характеристики

Водный крен

Вода является очень тщательным закалкой, предлагая максимальную скорость охлаждения любой жидкости, а также обильна и дешевле по сравнению с другими закалками. Закалка воды обеспечивает чрезвычайно быстрое охлаждение, что делает ее пригодной для простых углеродистых сталей, которые требуют высоких скоростей охлаждения для достижения полной мартенситной трансформации.

Однако угасание воды имеет значительные недостатки. Из-за интенсивности охлаждения пузырьки (также известные как паровые карманы) могут образовываться на стали и приводить к термическим различиям по заготовке, подвергая кусок риску нежелательных напряжений и искажений. Вода охлаждает сталь быстрее, но для высокоуглеродистых и легированных сталей это может вызвать растрескивание, поэтому вместо этого используется масло.

Решением этого естественного явления является возбуждение охлаждающей ванны, эффективно удерживая воду, движущуюся, чтобы разбить пузырьки, также известные как паровые барьеры, которые служат своего рода изоляцией, сохраняя заготовку теплее, чем она должна быть, и прерывая процесс закалки. Агитация имеет решающее значение для достижения равномерного охлаждения и предотвращения мягких пятен в утолщенных водой частях.

Это самый агрессивный процесс закалки, обеспечивающий самую быструю скорость охлаждения, и он подходит для металлов, требующих максимальной твердости, но также может увеличить риски растрескивания и искажения.Тяжесть закалки воды делает его непригодным для сложных геометрий или высоколегированных сталей, где высок риск растрескивания.

Нефтяное закаливание

Масло закалки обеспечивает более медленную скорость охлаждения, чем закалка воды, снижая риск растрескивания и искажения в процессе закалки. Масло уменьшает тепловые градиенты во время охлаждения, что снижает внутреннее напряжение и улучшает стабильность размеров, при этом поддерживая эффективное закалка во многих углеродных и легированных сталях, и из-за этого баланса закалка масла широко используется в промышленных операциях термообработки.

Углеродные стали, легированные стали и инструментальные стали часто полагаются на закалку масла, потому что контролируемое охлаждение поддерживает постоянную твердость. Закалка масла особенно выгодна для легированных сталей, где легирующие элементы снижают критическую скорость охлаждения, делая более медленное охлаждение масла достаточным для достижения мартенситной трансформации.

Утолщение обычно составляет менее 80 °C для масла и при температуре окружающей среды для утоляющих на водной основе (вода, рассол и полимер). Температура среды для утоления влияет на ее характеристики охлаждения, причем более высокие температуры обычно приводят к более медленным темпам охлаждения. Масло требует контроля температуры, фильтрации и мониторинга окисления, и эти методы продлевают срок службы жидкости и поддерживают стабильные кривые утоления.

Брин Квенчинг

Рассол представляет собой смесь воды и соли, а рассол охлаждается быстрее воздуха, воды и масла.Причина этого в том, что солевая и водная смеси препятствуют образованию воздушных шариков при контакте с нагретым металлом, а значит, больше площади поверхности металла будет покрыто жидкостью, в отличие от пузырьков воздуха.

Использование соленого водного раствора является самым быстрым и самым тяжелым, за ним следуют пресная вода, полимер, масло и принудительный воздух. Утолщение соломой обеспечивает наиболее сильное утоление и используется, когда требуется максимальная твердость и риск растрескивания приемлем. Однако в этом случае самое быстрое не всегда лучше; иногда слишком быстрое утоление может вызвать растрескивание.

Полимеры-кванчанты

Полимерные закалочные устройства представляют собой решения на водной основе, которые позволяют регулировать скорости охлаждения на основе концентрации, и полимерные системы часто выбираются, когда магазинам требуется гибкость в нескольких марках стали в рамках одной и той же операции. Полимерные закалочные устройства предлагают среднюю точку между водой и маслом, с скоростями охлаждения, которые могут быть адаптированы путем корректировки концентрации полимера.

Полимерные закалочные машины обеспечивают более равномерное охлаждение, чем вода, обеспечивая более быстрое охлаждение, чем масло. Они особенно полезны для деталей со сложной геометрией, где равномерное охлаждение имеет решающее значение для минимизации искажений. Возможность регулировать характеристики охлаждения путем изменения концентрации делает полимерные закалочные машины универсальными для объектов, которые обрабатывают различные марки стали и части геометрии.

Газ и воздушное закалывание

Газовое или воздушное закалывание включает в себя охлаждение металла в воздухе или использование инертных газов, таких как азот, и оно обеспечивает самую медленную скорость охлаждения среди всех сред закалки, сводя к минимуму риск теплового шока и искажения. Закалка воздуха или газа обеспечивает медленное, контролируемое охлаждение, и поскольку охлаждение является постепенным, закалка воздуха и газа не используется, когда требуется быстрое развитие твердости.

Газовое закалка применяется в первую очередь для высоколегированных сталей, где критическая скорость охлаждения очень низкая из-за наличия сильных карбидобразующих элементов. Эти стали могут достигать мартенситного превращения даже при медленных скоростях охлаждения, обеспечиваемых газовым закалкой. Даже медленное охлаждение таких сплавов в воздухе имеет большинство желаемых эффектов закалки; высокоскоростная сталь ослабляет гораздо меньше от теплового цикла из-за высокоскоростной резки.

Куэнч тяжелость и агитация

Выбор гашения играет решающую роль в процессе гашения, и их тепловые свойства значительно влияют на скорость гашения, тяжесть и скорость охлаждения, а тепловые свойства - теплопроводность, плотность и вязкость - значительно влияют на то, насколько эффективно тепло передается от нагреваемой части к среде гашения и как быстро охлаждается деталь (скорость охлаждения).

Правильное возбуждение имеет важное значение для достижения равномерного закалки и контроля скорости охлаждения во время термообработки, а маневренность помогает достичь согласованных свойств материала и стабильности размеров в закаленных частях, обеспечивая равномерное распределение температуры и повышая эффективность теплопередачи. Агитация разрушает паровые одеяла и гарантирует, что свежий закалка непрерывно контактирует с поверхностью детали, способствуя равномерному охлаждению.

Температура ванны является еще одним решающим фактором для «правильного процесса закалки», поскольку она непосредственно влияет на коэффициент теплопередачи (HTC) и скорости охлаждения, испытываемые утоляемыми частями. Более высокие температуры ванны уменьшают разницу температур между частью и закалкой, что приводит к более медленным скоростям охлаждения.

Температура трансформации: Ms и Mf

Температура начала мартенсита (Ms)

Мартенситическая реакция начинается во время охлаждения, когда аустенит достигает температуры начала мартенсита (Мс), и родительский аустенит становится механически неустойчивым. Температура Ms является критическим параметром, который определяет, когда мартенситное преобразование может начаться во время охлаждения.

Реакция начинается при мартенситной температуре начала (Мс), которая может варьироваться в широком диапазоне температур от 500 °C до значительно ниже комнатной температуры, в зависимости от концентрации γ-стабилизирующих легирующих элементов в стали. Углерод и большинство легирующих элементов понижают температуру Мс, причем углерод оказывает наиболее выраженное действие.

Температура Ms не зависит от скорости охлаждения — это термодинамическое свойство, определяемое составом аустенита. Однако количество мартенсита, которое образуется при любой заданной температуре ниже Ms, зависит от скорости охлаждения. Быстрое охлаждение необходимо для подавления конкурирующих преобразований и позволяет продолжить мартенситное преобразование.

Температура мартенситов (Mf)

По мере угасания образца все больший процент аустенита превращается в мартенсит до достижения более низкой температуры трансформации Mf, в это время трансформация завершается.После достижения Ms дальнейшее преобразование происходит во время охлаждения до прекращения реакции при температуре Mf.

При этой температуре весь аустенит должен был трансформироваться в мартенсит, но часто на практике небольшая часть аустенита не трансформируется, и большие объемные фракции аустенита сохраняются в некоторых высоколегированных сталях, где температура Mf значительно ниже комнатной температуры.

Сохраненный аустенит

Для эвтектоидной стали (0,76% C) останется от 6 до 10% аустенита, называемого аустенитом, и процент аустенита увеличивается с незначительного для стали менее 0,6% C до 13% аустенита при 0,95% C и 30-47% аустенита для углеродистой стали 1,4%. Количество аустенита увеличивается с содержанием углерода, потому что более высокое содержание углерода постепенно снижает температуру Mf.

Прочность мартенсита снижается по мере роста количества удерживаемого аустенита. Удержанный аустенит мягче мартенсита и может превращаться в мартенсит при работе в условиях стресса или при низких температурах, что может вызвать нестабильность размеров. По этой причине криогенная обработка иногда используется для преобразования удерживаемого аустенита в мартенсит путем охлаждения ниже комнатной температуры.

Атермальная vs. изотермическая трансформация

Мартенситовая реакция в сталях обычно происходит атермально, т.е. при охлаждении в температурном диапазоне, который может быть точно определен для конкретной стали. Атермальное преобразование означает, что количество образующегося мартенсита зависит только от достигнутой температуры, а не от времени, проведенного при этой температуре. Это в отличие от изотермических преобразований, таких как образование байнитов, где преобразованное количество увеличивается со временем при постоянной температуре.

Атермальная природа мартенситного преобразования отражает его диффузионный характер. Поскольку диффузия не требуется, преобразование может происходить так же быстро, как может двигаться интерфейс, что по существу мгновенно на практических временных масштабах. Преобразование прекращается, когда охлаждение прекращается, и возобновляется, когда охлаждение продолжается, причем фракция преобразуется в зависимости только от температуры.

Факторы, влияющие на мартенситную трансформацию

Эффекты охлаждения

Скорость охлаждения, пожалуй, является наиболее важным фактором в определении того, происходит ли мартенситная трансформация. Для получения мартенситной реакции обычно необходимо быстрое охлаждение стали, чтобы метастабильный аустенит достиг Ms. Если охлаждение слишком медленное, диффузионно-управляемые преобразования произойдут до достижения температуры Ms, предотвращая мартенситную трансформацию.

Требуемая скорость охлаждения сильно зависит от состава стали. Равнинные углеродистые стали требуют очень быстрых скоростей охлаждения, часто достижимых только при закалке водой или рассолом. Легированные стали имеют более низкие критические скорости охлаждения из-за эффекта легирующих элементов при замедляющих диффузионно-управляемых превращениях, что позволяет масляному или даже воздушному закалке производить мартенситные конструкции.

Скорость охлаждения также влияет на равномерность трансформации по всему сечению детали. Более толстые секции охлаждаются медленнее в центре, чем на поверхности, что может привести к смешиванию микроструктур с мартенситом на поверхности и более мягким фазам в ядре. Вот почему упрочняемость - способность образовывать мартенсит по всему сечению - является важным фактором при выборе стали.

Состав сплава и содержание углерода

На мартенситное превращение сильно влияет химический состав стали, а углерод играет решающую роль, поскольку повышает твердость мартенсита.Углерод является важнейшим элементом, влияющим как на температуру Ms, так и на твердость полученного мартенсита.

Мартенситная фаза стали перенасыщена углеродом и таким образом подвергается усилению твердого раствора.Атомы углерода, попавшие в промежуточные участки телоцентрированной тетрагональной структуры, создают сильные искажения решётки, препятствующие движению дислокации, в результате чего достигается высокая твердость и прочность.

Содержание углерода в стали является основным фактором в определении температур, времени и уровней твердости и прочности, достигаемых закалкой и закалкой, а для низко- и среднеуглеродистых сталей закалка и закалка значительно улучшает как твердость, так и прочность, и по мере увеличения доли углерода полученная термообработанная сталь имеет тенденцию быть более хрупкой, но более износостойкой.

Для легированных сталей наличие таких элементов, как марганец, хром, никель и молибден, усиливает преимущества закалки и закалки.Эти легирующие элементы влияют на преобразование несколькими способами: они понижают температуру Ms, снижают критическую скорость охлаждения, повышают упрочняемость и могут образовывать карбиды, влияющие на конечные свойства.

В стали, легированной металлами, такими как никель и марганец, температура эвтектоида становится намного ниже, но кинетические барьеры для фазового преобразования остаются прежними, и это позволяет закалке начинаться при более низкой температуре, что делает процесс намного проще. Высокоскоростная сталь также добавила вольфрам, который служит для повышения кинетических барьеров, что, среди других эффектов, дает свойства материала (твердость и сопротивление истиранию), как будто заготовка была охлаждена быстрее, чем она есть на самом деле.

Устойчивая температура и время

Повышение температуры аустенитизации и времени до закалки существенно влияют на трансформацию. Более высокие температуры аустенитизации обычно приводят к более полному растворению карбидов, что приводит к более высокому содержанию углерода в аустените и, следовательно, в мартенсите. Это увеличивает твердость, но также снижает температуру Ms и увеличивает количество удерживаемого аустенита.

Чрезмерная аустенитная температура может вызвать рост аустенитного зерна, что оказывает несколько эффектов на трансформацию. Более крупные аустенитные зерна могут немного снизить температуру Ms и повлиять на морфологию мартенсита. Размер зерна также влияет на механические свойства, при этом более мелкие зерна обычно обеспечивают лучшую прочность.

Время замачивания при аустенитной температуре должно быть достаточным для обеспечения полного превращения в аустенит и гомогенизации состава. Недостаточное замачивание может привести к неполному преобразованию и неоднородным свойствам. Однако чрезмерное время замачивания отнимает энергию и может привести к росту зерна и декарбюрации поверхности.

Предыдущая микроструктура

Микроструктура, присутствующая перед аустенитизацией, может влиять на трансформацию. Прекрасные перламутровые или сфероидизированные структуры трансформируются в аустенит быстрее и при более низких температурах, чем грубые перламутровые структуры. Это связано с тем, что более тонкие структуры имеют более короткие диффузионные расстояния для гомогенизации углерода.

Предыдущая микроструктура также влияет на размер зерна аустенита, который развивается во время аустенитизации. Тонкие начальные структуры имеют тенденцию производить более тонкие зерна аустенита, которые могут быть полезны для механических свойств. Обработка рафинирования зерна перед закалкой иногда используется для улучшения конечных свойств закаленных и закаленных сталей.

Мартенситовая морфология и микроструктура

Латмартенсит

Для стали с 0—0,6% углерода мартенсит имеет вид лата и называется лат-мартенситом. Лат-мартенсит является преобладающей морфологией в низко- и среднеуглеродистых сталях. Он состоит из параллельных решеток или пластин, расположенных в пакетах с аналогичными кристаллографическими ориентациями.

Каждое зерно аустенита трансформируется внезапным образованием тонких пластин или лятов мартенсита поразительного кристаллографического характера. Латы обычно имеют ширину в несколько сотен нанометров и длину в несколько микрометров. Внутри каждого предшествующего аустенитного зерна образуются множественные пакеты лямок с разными ориентациями, соответствующими различным кристаллографическим вариантам.

Лат-мартенсит имеет высокую плотность дислокации, как правило, порядка 1015-1016 м2. Эти дислокации генерируются для приведения в соответствие с изменением формы, связанным с трансформацией. Высокая плотность дислокации вносит значительный вклад в прочность лат-мартенсита, в дополнение к твердому раствору, укрепляющемуся из углерода.

Плита Мартенсит

Для стали с содержанием углерода более 1% она будет образовывать пластинчатую структуру, называемую пластинчатым мартенситом, и между этими двумя процентами физический вид зерен представляет собой смесь двух.Платопластовые мартенситные формы в высокоуглеродистых сталях и характеризуются более крупными пластинами в форме линз, которые могут охватывать целые зерна аустенита.

Мартенсит пластины содержит высокую плотность близнецов, а не дислокации. Близнецы образуются для приведения в соответствие с изменением формы и, как правило, очень тонкие, порядка нескольких нанометров толщиной. Сдвоенная структура способствует крайней твердости высокоуглеродистого мартенсита, но также и его хрупкости.

Переход от лата к пластинчатому мартенситу происходит постепенно по мере увеличения содержания углерода, при этом в промежуточном углеродном диапазоне присутствуют смешанные морфологии, которые влияют не только на внешний вид, но и на механические свойства, причём пластинчатый мартенсит более твёрдый, но более хрупкий, чем латный мартенсит того же содержания углерода.

Кристаллографические вариации

От заданной ориентации родительской фазы возможно несколько вариантов мартенсита с разными ориентациями. Количество возможных вариантов зависит от симметрии родительской и продуктовой фаз. Для трансформации FCC в BCT в стали существует 24 возможных кристаллографических варианта.

При трансформации в каждом зерне аустенита обычно образуются множественные варианты.Температурное преобразование развивает многовариантную мартенситную микроструктуру с самоаккомодацией, т.е. деформация, связанная с одной мартенситной пластиной, компенсируется соседним вариантом, не давая чистого макроскопического изменения формы.Это самоаккомодация минимизирует энергию деформации, связанную с трансформацией.

Механические свойства мартенсита

Твердость и сила

Сталь, при быстром охлаждении из аустенитного состояния, обычно превращается в мартенсит — очень твердую структуру, которая является основой упрочнения сталей. Результатом является новая фаза — мартенсит, который имеет искаженную кристаллическую структуру и придает материалу высокую твердость.

Железо-углеродное мартенситное преобразование генерирует увеличение твердости. Твердость мартенсита увеличивается с содержанием углерода, варьируясь от около 200 HV для очень низкого содержания углерода в мартенсите до более 900 HV для высокого содержания углерода. Это резкое увеличение твердости с содержанием углерода отражает увеличение искажения решетки и укрепление твердого раствора.

В углеродистых сталях по мере увеличения количества мартенсита твердость и прочность увеличиваются, но прочность уменьшается, и величина этих эффектов сильно зависит от содержания углерода в стали.Высокая прочность и твердость мартенсита делают его идеальным для применений, требующих износостойкости и высокой прочности.

Хрупкость и необходимость закалки

Часто после закалки железо или стальной сплав будут чрезмерно твердыми и хрупкими из-за переизбытка мартенсита.После закалки сталь чрезвычайно твердая, но очень хрупкая, и поскольку большинству применений для стали требуется сочетание твердости и прочности, эта хрупкость должна быть уменьшена, и это делается путем закалки.

Эти микроструктуры приводят к увеличению прочности и твердости стали, однако они делают сталь уязвимой для растрескивания и с большим снижением пластичности.Хрупкость как утолщённого мартенсита возникает из-за высоких внутренних напряжений, перенасыщения углеродом и отсутствия пластичных фаз.

Кунширование является важным процессом закалки, в результате чего сталь очень жесткая и очень хрупкая, однако современные варианты использования стали, эта хрупкая, немногочисленны и далеки друг от друга, а за тушением почти всегда следуют последующие процессы термообработки, которые стремятся сохранить часть твердости и прочности, выигранной быстрым охлаждением, а также повышение прочности и пластичности.

Процесс закаливания

В этих случаях другой метод термообработки, известный как закалка, выполняется на закаленном материале для повышения прочности сплавов на основе железа, и закалка обычно выполняется после закалки, чтобы уменьшить часть избыточной твердости, и делается путем нагрева металла до некоторой температуры ниже критической точки в течение определенного периода времени, что позволяет ему охлаждаться на неподвижном воздухе.

Кунширование также может сделать металл хрупким, поэтому за ним следует закалка, где металл нагревается до более низкой температуры, а затем снова охлаждается, и этот шаг уменьшает хрупкость при сохранении прочности и прочности. Сталь закаляется, чтобы уменьшить часть твердости и повысить пластичность, и она нагревается в течение определенного периода времени при температуре, которая падает между 400° F и 1105 ° F.

При закалке перенасыщенный мартенсит разлагается на более устойчивые фазы, как правило, феррит и мелкие карбиды. Это разложение снимает внутренние напряжения, несколько снижает твердость, но резко улучшает прочность и пластичность. Температура закалки и время контролируют конечный баланс свойств, при более высоких температурах получается более мягкая, но более жесткая сталь.

Закаленная и закаленная сталь — это тип стали, который прошел двухступенчатый процесс термообработки для повышения своих механических свойств, где сначала сталь закаляется для повышения ее твердости и прочности, а затем закаляется для уменьшения хрупкости при сохранении прочности и прочности. Эта комбинация закалки и закалки является одним из наиболее широко используемых процессов термообработки в промышленности.

Остаточные стрессы и искажения

Кунширование может вводить остаточные напряжения в металл из-за неравномерных скоростей охлаждения, а поверхность охлаждается и сжимается быстрее, чем внутренняя часть, что приводит к растягивающим напряжениям на поверхности и сжимающим напряжениям внутри, и если не управлять должным образом, эти остаточные напряжения могут вызвать деформацию, искажение или даже растрескивание.

Расширение объема, связанное с мартенситным преобразованием, также способствует остаточному напряжению. Когда поверхность превращается в мартенсит перед ядром, расширяющаяся поверхность ограничивается еще аустенитным ядром, генерируя сложные стрессовые паттерны. Эти напряжения могут привести к искажению или растрескиванию, особенно в частях со сложной геометрией или концентрацией напряжения.

Мартенситическая трансформация сопровождается расширением решетки, и это производит благоприятное сжимающее остаточное напряжение на поверхности и значительно увеличивает усталостную прочность. При правильном контроле остаточные напряжения от закалки могут быть фактически полезны, особенно для усталостной устойчивости. Поверхностные сжимающие напряжения ингибируют инициирование и распространение трещин, улучшая усталостный срок службы.

Продвинутые темы в мартенситной трансформации

Стресс и индуцированный штаммом мартенсит

В некоторых легированных сталях мартенсит может быть образован путем обработки стали при температуре Ms путем закалки до температуры ниже Ms, а затем путем пластических деформаций для уменьшения площади сечения между 20% и 40% от исходного. Это образование мартенсита, индуцируемое деформацией, отличается от термически индуцированного преобразования, которое происходит во время закалки.

Мартенсит, который образуется только путем применения эластичного деформации извне, является мартенситом с помощью стресса, который может образовывать ядра в том же месте аустенита, если он преобразовался ниже Ms, а мартенсит, который образуется путем применения пластического деформирования извне, называется мартенситом, индуцированным деформацией, и этот ядрышок образуется в местах, подготовленных пластической деформацией.

МТ может быть индуцирована изменением температуры (на охлаждении) или применением внешнего напряжения. Мартенситное преобразование может быть индуцировано механическими силами или изменением температуры в процессе охлаждения. Стресс-индуцированное преобразование является основой эффекта памяти формы и сверхупругости в некоторых сплавах.

Сплавы памяти формы и термоупругие преобразования

Термоупругие мартенситные преобразования (ТМТ) происходят в Au-Cd, In-Tl, Ni-Ti, некоторых сплавах на основе Cu и других системах, и благодаря ТМТ и особенно обратному преобразованию сплавы демонстрируют необычное термомеханическое поведение и возможности памяти формы. Эти материалы подвергаются обратимым мартенситным преобразованиям, которые обеспечивают уникальные функциональные свойства.

Эффект памяти формы возникает, когда сплав охлаждается, чтобы сформировать несколько вариантов мартенсита, которые приспосабливаются друг к другу без макроскопического изменения формы, и когда напряжение применяется для выращивания предпочтительного варианта, результирующая деформация может быть обращена вспять, нагревая материал обратно в его аустенитное состояние, восстанавливая первоначальную форму.

Преобразования типа разрыва, типичные для закаленных сталей, происходят почти изотермально и характеризуются большим изменением объема и широким гистерезисом (сотни K), в то время как термоэластичные мартенситные преобразования имеют небольшое изменение объема, низкий гистерезис (десятки K) и хорошую обратимость.Разница в поведении отражает различные механизмы аккомодации и вовлеченные энергии эластичного деформирования.

Мартенситическая трансформация в неферроузных системах

Доказательства их возникновения были обнаружены в нескольких чистых металлах, таких как Fe, Co, Hg, Li, Ti, Zr, U и Pu, во многих черных и цветных сплавах и в нескольких оксидах и интерметаллических соединениях, таких как ZrO2, BaTiO3, V3Si, Nb3Sn, NiTi и NiAl. Мартенситные превращения не ограничиваются сталью, но происходят в самых разных системах материалов.

Мартенситическая трансформация происходит во многих других системах, таких как Cu-Al, Au-Cd, Fe-Ni, некоторых керамиках, и это родовое название описывает преобразования, происходящие сдвигами без изменения химического состава.Фундаментальный механизм скоординированных атомных смещений без диффузии является общим для всех этих систем, хотя специфические кристаллические структуры и свойства различаются.

Современные исследования и характеристики

Для решения этой давней проблемы мы рассмотрим аустенитную нержавеющую сталь AISI 304, которая имеет деформацию / микроструктуру-градиент, индуцированную механическим истощением поверхности, что позволило нам захватить в одном образце все ключевые межфазные области, генерируемые во время перехода γ (fcc) → ε (hcp) → α' (bcc), прототипный случай деформации, индуцированной мартенситным преобразованием (DIMT).

Эти прямые наблюдения впервые подтверждают 50-летнюю модель Богерса-Бургерса-Ольсона-Коэна (BBOC) и обогащают наше понимание механизмов DIMT. Современные методы характеристики, включая электронную микроскопию с высоким разрешением и наблюдения в атомном масштабе, предоставили беспрецедентное понимание механизмов трансформации.

Передовые вычислительные методы, включая моделирование молекулярной динамики и моделирование фазового поля, в настоящее время используются для изучения мартенситного преобразования на атомном уровне. Эти подходы дополняют экспериментальные наблюдения и дают представление о механизмах зарождения, структуре интерфейса и кинетике преобразования, которые трудно получить экспериментально.

Промышленные применения и практические соображения

Применение закаленных и закаленных сталей

Закаленная и закаленная сталь широко используется в отраслях, требующих высокопрочных, износостойких материалов, таких как строительство, автомобилестроение и тяжелая техника.Идеально подходит для использования в военной, машиностроительной, горнодобывающей, карьерной, землеройной и строительной отраслях, и часто используется для продуктов, которые подвергаются сильному воздействию, таких как зубчатые колеса, режущие кромки, земляные ведра, самосвалы, шнурки, желоба и многое другое.

К числу предметов, которые могут быть утолщены, относятся шестерни, валы и износостойкие блоки. Сочетание высокой твердости и разумной прочности, достигаемой за счет утолщения и закалки, делает эти стали пригодными для требовательных применений, где требуется как износостойкость, так и ударопрочность.

Инструментальные стали представляют собой еще одну важную область применения для мартенситного преобразования. Режущие инструменты, штампы и удары полагаются на чрезвычайную твердость высокоуглеродистого мартенсита для износостойкости. В этих приложениях обычно используются высокоуглеродистые или высоколегированные стали, которые закаляются для образования мартенсита, а затем закаляются при относительно низких температурах для поддержания высокой твердости при незначительном повышении прочности.

Контроль качества и мониторинг процессов

Благодаря всестороннему пониманию и контролю таких факторов, как состав стали, выбор закалки, толщина секции детали, перемешивание и температура ванны, производители могут оптимизировать процесс закалки, что приводит к равномерному преобразованию в мартенсит и, таким образом, достижению желаемых свойств материала. Контроль процесса имеет решающее значение для достижения согласованных результатов в производстве термообработки.

Независимо от размера, резервуары для утоления должны быть в состоянии поддерживать температуру охлаждения в строго контролируемом диапазоне, а резервуары для утоления Eagle Group контролируются цифровым оборудованием для мониторинга температуры в специальном отделе термообработки, чтобы убедиться, что температура охлаждения хорошо соответствует стандартам, установленным ASTM и / или другими требованиями клиентов.

Современные теплоочистные сооружения используют сложные системы мониторинга и контроля для обеспечения согласованных результатов закалки. Мониторинг температуры, тестирование свойств закалки и проверка твердости являются стандартными мерами контроля качества. Статистические методы контроля процессов помогают выявлять тенденции и предотвращать дефекты до их возникновения.

Проблемы и предотвращение дефектов

Неправильно подобранные среды увеличивают растрескивание, искажение и неравномерность твердости, все из которых повышают уровень лома и переделки. Квенч-треск является одним из самых серьезных дефектов, которые могут возникнуть во время термообработки. Это является результатом чрезмерных напряжений, возникающих во время охлаждения, особенно когда охлаждение слишком быстрое или когда существуют концентрации напряжений.

Если часть не закаляется сразу (обычно в течение 90 минут после закалки), часть может быть склонна к закалке. Задержка затрескивания может произойти через несколько часов или даже дней после закалки, если закалка задерживается, так как высокие внутренние напряжения в закаленном мартенсите могут привести к распространению трещины с течением времени.

Искажение является еще одной распространенной проблемой в тушении. Неоднородные деформации охлаждения и трансформации могут привести к деформации или изменению размеров деталей. Конструктивные соображения, такие как избегание острых углов, поддержание однородных поперечных сечений и использование светильников во время тушения, могут помочь минимизировать искажения. Альтернативные процессы, такие как мартемперинг или аустемперинг, также могут уменьшить искажения для критических частей.

Экологические и безопасные аспекты

Операции по закалке включают в себя значительные соображения безопасности и окружающей среды. Закалка масла представляет опасность пожара из-за воспламеняемости закалочных масел, требуя надлежащей вентиляции, систем пожаротушения и процедур безопасности. Водо- и полимерные закалки генерируют пар во время закалки, который должен быть надлежащим образом продувлен для предотвращения ожогов и поддержания видимости.

Утилизация использованных гасителей должна соответствовать экологическим нормам. Утилизирующие масла могут загрязняться продуктами окисления, водой и масштабом, в конечном итоге требуя замены. Необходима правильная утилизация или переработка использованных масел. Утилизирующие средства на водной основе могут потребовать обработки перед удалением для удаления растворенных металлов и других загрязняющих веществ.

Потребление энергии является еще одним фактором в операциях по закалке. Нагрев деталей до аустенитной температуры требует значительной энергии, а повышение эффективности печи и рекуперация тепла может снизить эксплуатационные расходы и воздействие на окружающую среду. Правильная изоляция, эффективные горелки и системы рекуперации отработанного тепла могут значительно повысить энергоэффективность.

Будущие направления и новые технологии

Продвинутые высокопрочные стали

Стремление автомобильной промышленности к более легким и прочным автомобилям стимулировало развитие передовых высокопрочных сталей (AHSS), которые используют мартенситную трансформацию.Эти стали часто содержат сложные микроструктуры с контролируемым количеством мартенсита в сочетании с другими фазами, такими как феррит, бейнит или аустенит, для достижения оптимальных комбинаций прочности, пластичности и формируемости.

Стали, индуцированные трансформацией, используют преобразование удерживаемого аустенита в мартенсит во время деформации для повышения упрочнения работы и поглощения энергии. Эти стали обеспечивают отличную аварийную производительность для приложений безопасности автомобилей. Понимание и контроль мартенситного преобразования имеет решающее значение для оптимизации свойств этих передовых материалов.

Аддитивное производство и быстрое затвердевание

Присадочные производственные процессы, такие как селективное лазерное плавление, включают чрезвычайно быстрые скорости охлаждения, которые могут производить мартенситные структуры непосредственно во время затвердевания. Понимание мартенситного преобразования в этих неравновесных условиях обработки важно для контроля свойств аддитивно изготовленных деталей. Быстрое охлаждение, присущее этим процессам, может производить уникальные микроструктуры, недостижимые при обычной обработке.

Чрезвычайно быстрое охлаждение может препятствовать образованию всех кристаллических структур, в результате чего образуется аморфный металл или «металлическое стекло».Это крайний случай, когда охлаждение происходит настолько быстро, что даже мартенситное превращение подавляется, образуя стекловидную структуру. Такие материалы обладают уникальными свойствами и находят применение в специализированных областях.

Вычислительный дизайн и моделирование

Вычислительные материалы науки играет все большую роль в понимании и прогнозировании мартенситной трансформации. Фазовые модели поля могут имитировать зарождение и рост мартенситных пластин, обеспечивая понимание эволюции микроструктур. Моделирование конечных элементов может предсказать напряжения и искажения, которые происходят во время гашения, что позволяет оптимизировать детали конструкции и процедуры гашения.

Машинное обучение и искусственный интеллект начинают применяться для оптимизации термообработки. Эти подходы позволяют анализировать большие наборы данных от производственной термообработки для выявления оптимальных параметров обработки и прогнозирования свойств. Интеграция датчиков, аналитики данных и систем управления процессами позволяет осуществлять более сложный мониторинг и контроль операций по закалке.

Устойчивое термическое лечение

Устойчивость становится все более важной в термообработке. Разработка более эффективных печей, рекуперация отработанного тепла и оптимизация циклов переработки могут снизить потребление энергии. Разрабатываются альтернативные закалки с более низким воздействием на окружающую среду, в том числе масла на биооснове и улучшенные полимерные закалки.

Подходы к интенсификации процессов, которые сочетают несколько этапов термообработки или интегрируют термообработку с другими производственными операциями, могут повысить общую эффективность. Например, индукционное закалка сочетает нагревание и закалку в одном быстром процессе, уменьшая потребление энергии и время цикла по сравнению с обычной термической обработкой печи.

Заключение

Мартенситическая трансформация при закалке представляет собой краеугольный камень современной металлургии и материаловедения.Мартенситическая трансформация остается центральной темой в материаловедении и металлургии, а с продолжающимися исследованиями и разработкой новых сплавов и методов обработки она будет продолжать играть ключевую роль в создании материалов, которые переопределяют границы твердости и прочности.

Наука мартенситного преобразования охватывает фундаментальную кристаллографию, термодинамику и кинетику, а также практические соображения обработки, контроля качества и применения.Понимание диффузионного характера преобразования, роли скорости охлаждения и состава, связанных с этим кристаллографических изменений и полученных механических свойств имеет важное значение для любого, кто работает с термообработанными сталями.

От средневековых кузнечных мечей до современных автопроизводителей, производящих передовые высокопрочные стали, мартенситная трансформация была центральной для создания материалов с исключительными свойствами.По мере того, как материаловедение продолжает развиваться, наше понимание этой замечательной трансформации углубляется, позволяя разрабатывать новые материалы и процессы, которые раздвигают границы того, что возможно.

Продолжающаяся актуальность мартенситной трансформации в новых технологиях - от аддитивного производства до сплавов с памятью формы до передовых автомобильных сталей - демонстрирует, что это вековое открытие остается жизненно важным для современной инженерии материалов.По мере того, как вычислительные инструменты, методы характеристики и технологии обработки продолжают развиваться, наша способность контролировать и использовать мартенситную трансформацию будет только улучшаться, обеспечивая ее постоянную важность в материаловедении и машиностроении на десятилетия вперед.

Для тех, кто стремится углубить свое понимание процессов термообработки, ASM International предоставляет обширные ресурсы по металлургии и материаловедению. Национальный институт стандартов и технологий предлагает ценные данные и исследования по фазовым преобразованиям. Дополнительную информацию о процессах и оборудовании для тушения можно найти на веб-сайте Врач по термическому лечению Для академических перспектив механизмов мартенситной трансформации ScienceDirect содержит многочисленные рецензируемые статьи. Наконец, практическое руководство по выбору стали и термообработке можно получить из Металлические супермаркеты и аналогичные отраслевые ресурсы.