Przemiana martenzytyczna jest to przemiana (fazowa) austenitu
przech-odzonego w martenzyt, polegająca na bezdyfuzyjnej przebudowie regularnej, ściennie centrowanej sieci austenitu na tetragonalną przestrzennie centrowaną sieć martenzytu.
Przemiana ta zachodzi w zakresie temperatur, w którym dyfuzja atomów żelaza i węgla jest zamrożona1). Oznacza to, że przesunięcia atomów są rzędu ułamka odległości międzyatomowej i wszystkie atomy zachowują swoich sąsiadów. Wynika z tego również, że martenzyt zawiera tyle samo węgla, co austenit, a więc znacznie więcej, niż może się rozpuścić w ferrycie (maksymalna zawartość węgla w ferrycie wynosi 0,022%).
Komórka elementarna martenzytu jest prostopadłościanem o podstawie kwadratu o boku a i wysokości c, gdzie c jest większe od a, rys. 7.4. Stosunek c/a nazywa się stopniem tetragonalności martenzytu i jest zależny od zawarto-ści węgla w martenzycie (rys. 7.5). Stopień tetragonalnozawarto-ści nieznacznie odbiega od jedności, komórkę martenzytu można więc uznać za komórkę Feα, zawierającą znacznie więcej węgla niż ferryt w stanie równowagi. Dlatego definiuje się martenzyt jako przesycony roztwór stały węgla w Feα. Atomy węgla zajmują zwykle położenia w środkach dłuższych krawędzi komórki marten-zytu, zniekształcając sieć krystaliczną Feα. Efektem zniekształcenia sieci
Rys. 7.4. Komórka elementarna mar-tenzytu; 1 - położenie atomów żelaza, 2 - możliwe położenia atomów węgla
Rys. 7.5. Wpływ zawartości węgla w martenzycie na stopień tetragonalności martenzytu c/a
1} Dyfuzja jest przemieszczaniem atomów na odległości większe niż odległość między-atomowa w sieci krystalicznej.
Stopień tetragonalności martenzytu c/a
Zawartość węgla w martenzycie, %
Twardość HV 800 700 600 500 400 300 200
a b c
Zawartość węgla w stali, %
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1.0 1.2 1.4
117 są naprężenia powodujące bardzo dużą twardość i wytrzymałość martenzytu.
Im więcej jest węgla w martenzycie, tym większe zniekształcenie sieci i większa twardość (rys, 7.6, krzywa a). W zahartowanych stalach podeutektoidalnych zawartość węgla w martenzycie jest równa zawartoaści węgla w stali, zaś w stalach nadeutektoidalnych zawartość węgla w martenzycie zależy od temperatury austenityzowania.
Rys. 7.6. Wpływ zawartości węgla w stali zahartowanej na martenzyt na: a - twardość martenzytu, b - twardość stali zahartowanej z temperatury właściwej - Ac3+30÷50°C lub Ac1+30÷50°C,
c - twardość stali nadeutektoidalnej zahartowanej z temperatury wyższej od Accm
7.2.1. Mechanizm przemiany, naprężenia strukturalne, struktura martenzy-tyczna
Martenzyt w stalach średnio i wysokowęglowych (w zasadzie hartuje się stale zawierające ponad 0,25%C) ma postać płytek różnej wielkości. Płytki te obserwowane na zgładzie metalograficznym mają postać „igieł", dlatego stosuje się określenie - martenzyt iglasty.
Mechanizm powstawania pojedynczej płytki polega na utworzeniu zarod-ka martenzytu w pewnym miejscu ziarna austenitu, zarodek ten rozrasta się tworząc zaczątek płytki. Następnie płytka rośnie z bardzo dużą szybkością, równą szybkości rozchodzenia się dźwięku w austenicie, wynoszącą 1 km/s.
Front rosnącej płytki przesuwa się bezdyfuzyjnie. Budowa nowej sieci krys-talicznej odbywa się przez kolejne skoordynowane przesunięcia atomów żelaza i węgla o ułamek odległości międzyatomowej na froncie płytki. Każdy atom, przy tym, zachowuje swego sąsiada (wzrost koherentny). Wzrost płytki ustaje po zderzeniu się jej frontu z jakąś przeszkodą, granicą ziarna lub wytworzoną już płytką.
b)
A M A
A
a)
A A'
H H
Rys. 7.7. Schemat ideowy powstawania odkształcenia postaciowego podczas przemiany marten-zytycznej: a) fragment stali przed przemianą, b) fragment stali po przemianie; A - faza γ, A' - obszar fazy γ, w którym ma zajść przemiana, M - martenzyt. Obszar A' ulega w czasie przemiany martenzytycznej odkształceniu postaciowemu, niezmienne pozostaje położenie
płasz-czyzny H zwanej „płyszczyzną habitus" (prostopadłej do płaszpłasz-czyzny rysunku)
Przemiana martenzytyczna wywołuje naprężenia strukturalne w stali.
Spowodowane są one dwoma czynnikami:
• tzw. odkształceniem postaciowym, zachodzącym przy powstawaniu marten-zytu. Bezdyfuzyjnej przebudowie sieci Fe towarzyszy zawsze zmiana kształtu obszaru, w którym zachodzi przemiana. Obszar ten ulega odkształceniu postaciowemu, (rys. 7.7). Odkształcenie to nie może się zrealizować w nowo powstającej płytce martenzytu uwięzionej w dużej objętości materiału i to jest przyczyną naprężeń,
• większą objętością właściwą martenzytu niż austenitu o około 1,5%.
Obraz mikrostruktury martenzytycznej odzwierciedla sposób zachodzenia przemiany; płytki martenzytu nie mogą przecinać granic ziarn ani innych płytek, a ponadto istnieje zależność orientacji sieci krystalicznej austenitu i martenzytu. Z pierwszej cechy wynika, że rozmiary płytek martenzytu są zależne od wielkości ziarna austenitu. Z drobnoziarnistego austenitu powstaje drobnoiglasty martenzyt (fot. 7.2), z przegrzanego gruboziarnistego austenitu - gruboiglasty martenzyt, (fot. 7.3). Pierwsza utworzona płytka martenzytu rozciąga się od granicy do granicy ziarna. Następne płytki, powstające przy obniżaniu temperatury stali, są coraz mniejsze i zajmują miejsca w lukach między już powstałymi płytkami (rys. 7.8). W każdym ziarnie austenitu płytki są ułożone w pewnych uprzywilejowanych kierunkach: 60° i 120°, co wynika z drugiej właściwości przemiany - zależności orientacji sieci krystalicznej martenzytu i austenitu. W ten sposób w stali zahartowanej powstaje struktura złożona z płytek martenzytu o różnej wielkości, tkwiących w austenicie przechłodzonym. Austenit ten po zakończeniu chłodzenia określa się jako austenit szczątkowy.
A u s t e n i t P ł y t k i m a r t e n z y t u
Rys. 7.8. Schemat przebiegu przemiany martenzytycznej w jednym ziarnie austenitu. W miarę obniżania temperatury powstają nowe płytki martenzytu w przestrzeniach pomiędzy płytkami już
istniejącymi. Płytki nie przecinają granicy ziarna ani siebie nawzajem
119
7.2.2, Austenit szczątkowy
Austenit szczątkowy oznaczany symbolem Asz jest to austenit przech-łodzony, który nie uległ przemianie w martenzyt w czasie oziębiania stali od temperatury MS do zakończenia chłodzenia, najczęściej do temperatury 20°C.
Badanie zależności ilości marten-zytu w stali od temperatury w czasie oziębiania wykazuje, że przemiana ta nie realizuje się w 100%. Jedną z przyczyn jest coraz większy poziom naprężeń ściskających wywołany przybywaniem nowych igieł marten-zytu. Przy pewnym poziomie naprę-żeń przemiana zostaje całkowicie za-hamowana. Poniżej temperatury Mf
pozostaje więc w stali austenit szcząt-kowy. Drugą przyczyną obecności austenitu szczątkowego jest zakoń-czenie chłodzenia powyżej temperatu-ry Mf.
Temperatura MS i Mf zależą od zawartości węgla w austenicie (rys. 7.9). Obie wielkości obniżają się wraz ze wzrostem zawartości węgla.
Przy zawartościach węgla większych od około 0,5% temperatura Mf jest niższa od temperatury pokojowej Tk. W miarę wzrostu zawartości węgla temperatura Mf jest coraz bardziej odległa od Tk, co oznacza coraz większą ilość austenitu szczątkowego w zahartowanych stalach.
Austenit szczątkowy można usunąć przez wymrażanie, zwane też obróbką podzerową, która polega na ochłodzeniu przedmiotu, zaraz po hartowaniu, w ośrodku chłodzącym o temperaturze niższej od temperatury otoczenia.
Rys. 7.9. Wpływ zawartości węgla w austenicie na temperaturę początku Ms i końca przemia-ny martenzytycznej Mf, Tk - temperatura za-kończenia oziębiania podczas hartowania stali
Temperatura, °C
Z a w a r t o ś ć w ę g l a w a u s t e n i c i e , %