Сущность упрочнения сталей в процессе закалки

Характерной особенностью мартенсита является его высокая твердость и прочность. Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода; в стали с 0,6 – 0,7% с твердость мартенсита HRC 65 (HV 960), что во много раз больше твердости феррита. Предел прочности низкоуглеродистого мартенсита (0,025% С) составляет ~ 100 кгс/мм², а при 0,6– 0,8% С достигает 260–270 кгс/мм². Однако с повышением в мартенсите содержания углерода возрастает склонность его к хрупкому разрушению. Мартенсит, содержащий свыше 0,35 – 0,4% С, обладает пониженным сопротивлением зарождению трещины и особенно низким сопротивлением развитию трещины и разрушается хрупко.

Высокая твердость мартенсита объясняется влиянием внедренных атомов углерода в решетку α-фазы, созданием микро- и субмикроскопической неоднородности строения с равномерным ее распределением по объему, т. е. большим числом нарушений кристаллического строения. Каждый кристалл мартенсита состоит из большого числа блоков, размер которых значительно меньше, чем в исходном аустените. Дробление блоков происходит вследствие больших микронапряжений, возникающих в результате объемных изменений при γ→α превращениях и соответственно пластической деформации, создающей фазовый наклеп. Поверхности раздела кристаллов мартенсита, и особенно границы блоков, представляют собой трудно преодолимые препятствия для движения дислокаций. Все это и определяет высокую твердость стали, имеющей мартенситную структуру. Хрупкость мартенсита связана с образованием атмосфер из атомов углерода на дефектах строения.

Металлы с эффектом «памяти»

1. Если величина деформации не выходит за пределы упругой зоны ε^макс_упр, то после разгрузки размеры тела возвращаются к исходным, а его форма восстанавливается. Недостатки: 1) незначительная деформация (доли процента); 2) сразу при устранении внешней силы происходит восстановление размеров.

(Интереснее иметь дело с металлами, когда фазы хранения и восстановления независимы и когда хранение не связано с участием посторонних сил)

Изогнем по определенному радиусу ρ тонкую плоскую пластинку толщиной В.

Внешние слои будут растянуты, а внутренние сжаты. На середине толщины (нейтральная ось) деформация будет равна нулю. Максимальная относительная деформация будет на верхней и нижней поверхностях пластины. Длина внешней полуокружности π(ρ+ В /2), исходная длина слоя πρ, следовательно, относительная деформация будет равна:

(Для стального лезвия В = 0,08 мм (с пределом упругости 1000 МПа, ε^макс_упр ~ 0,5 %) полукольцо будут иметь радиус 10 мм. Если попытаться изогнуть так же пластину из той же стали, но толщиной 2 мм, то деформация наружных слоев составит ~ 10%. Напряжение, которое при этом возникнет, превысит σ_упр, так как деформация значительно превышает ε^макс_упр).

Восстановление формы металлами с эффектом памяти будет полным только тогда, когда при ее изменении не превышена некоторая определенная величина деформации. Для разных сплавов это максимально допустимая деформация обычно не превышает 10 %. По этой причине используются тонкие проволоки, пластинки. Если величина относительной деформации задана, то более тонкая проволока допускает изгибы по меньшему радиусу и может хорошо запомнить причудливую форму.

2. Сплавы, обладающие памятью, как и все другие, испытывают термическое расширение. Однако, в температурном интервале «вспоминания» формы изменения линейных размеров в разных направлениях могут различаться и величиной и знаком. (Если предварительно растягивали образец, то он удлинился в осевом направлении и сжался в двух других. Вспоминая при нагреве исходную форму, он будет сжиматься вдоль оси, а диаметр его увеличиться. В целом объем образца возрастет на ту величину, которая соответствует изменению его температуры. !!! Изменения линейных размеров при этом достигают 10 %, что примерно на 3 – 4 порядка превышает те, на которые способен обычный металл при таком изменении температуры (на те же 10 градусов).)

3. Напряжения, которые развивает сплав, если ему мешают вспомнить исходную форму, могут достигать 1000 МПа, что равносильно давлению в 10000 атм. (Жестко закрепим одним концом стержень. Изогнем его в пределах допустимой деформации, подвесим груз и нагреем деформированный участок стержня. Возвращаясь к исходной прямолинейной форме, стержень поднимет груз. Масса груза ограничена: сплав имеет предел упругости и предел прочности, т.е. при определенных напряжениях он будет пластически деформироваться и разрушаться.

Если масса груза такова, что возникающие напряжения не превышают предел упругости сплава, то стержень распрямится полностью. В положении 3 мы зафиксируем лишь небольшой упругий прогиб стержня, величину которого легко рассчитать по закону Гука.

Наращивая груз, в сплаве возникает все более высокое напряжение. Наступает момент, когда стержень не в силах поднять груз – под действием возникающих в стержне напряжений происходит обычная «дислокационная» пластическая деформация. Деформация, которая могла бы исчезнуть при возвращении к прежней форме, превращается в остаточную. Стержень принимает новую форму. Если после охлаждения снять груз и распрямить стержень, то при последующем нагреве он будет возвращаться к новой форме 2.)

4. Эффект Курдюмова. Несмотря на то, что мартенситное превращение связано со значительным сдвиговым смещением атомов, форма тела при закалке в целом не изменяется. Аустенит сопротивляется росту в его среде новой фазы, заставляя мартенситную фазу разбиваться на отдельные кристаллы, так чтобы направления сдвиговых напряжений в соседних кристаллах были противоположны. Это снижает общий уровень напряжений, возникающих в ходе мартенситного превращения из-за сильных деформаций решетки различия в удельных объемов участвующих в нем фаз.

Термоупругое мартенситное превращение.

Если прекратить охлаждение, то и превращение сразу прекращается на той стадии, на которой его застигла температурная остановка, а если начать нагревать образец, то оно вскоре начинает идти в обратную сторону. Мартенсит снова начинает превращаться в аустенит, все сдвиговые смещения атомов идут в обратном направлении, а сами атомы возвращаются точно в свои исходные позиции, соответствующие решетке аустенита.

Если напряжение приложено так, как показано на рисунке, то увеличивается доля кристаллов 1, в которых направление сдвиговых смещений атомов согласуется с направлением действия нагрузки, а доля кристаллов 2 уменьшается. В предельном случае при А→М-переходе реализуется только один вариант смещения атомов, и общая относительная деформация соответствует относительному удлинению 10 %. Данная деформация намного превышает предельную упругую деформацию обычных металлов, но она накапливается не за счет необратимых сдвигов, а за счет направленного смещения А→М. Если вызвать обратное превращение, то вся эта деформация исчезнет, так как атомы вернуться в исходные положения, которые они занимали в решетке аустенита.

(например, пусть точка М_н при охлаждении была немного ниже комнатной, а А_н (температура начала обратного М→А превращения) при нагреве – немного выше комнатной. Напряжение, приложенное при комнатной температуре, вызовет превращение А→М и значительное изменение формы тела, а при нагреве до температуры 50 – 100 °С оно вспомнит свою прежнюю форму.)

Двойная память

По мере охлаждения аустенита в его решетке развиваются процессы, подготавливающие ее перестройку в решетку мартенсита (снижение модуля упругости). Решетка аустенита как бы устойчивость по отношению к смещению атомов в определенных направлениях. Чем ближе подходим к температуре начала мартенситных превращений, тем больше «ослабляется» решетка. Вблизи температуры Мн подготовительные процессы зашли достаточно далеко (немного охладить и произойдет перестройка в решетку мартенсита) достаточно легкого толчка, чтобы вызвать перестройку. Этот толчок дает внешнее напряжение, стремящееся вызвать сдвиг атомов в ослабленных направлениях.

При высокой температуре (вдали от Мн) подвешиваем груз и начинаем охлаждение. Вначале действие груза вызовет небольшую упругую деформацию решетки аустенита (закон Гука). При охлаждении вблизи достаточно Мн наступит момент, это же напряжение вызовет А→М превращение. Последующий нагрев вызовет обратные превращения. (предел упругости высокотемпературной фазы нитинола близок к 1000 МПа, поэтому напряжения возникающие в сплаве, если препятствовать вспомнить форму, имеют такую же величину.)

При нагреве и охлаждении стержня в нем каждый раз будут происходить одни и те же превращения. Каждый раз при охлаждении образуются одни и те же кристаллы мартенсита, «избранные» внешним напряжением, каждый раз они появляются всегда на одном и том же месте. Данное явление объясняется наличием в структуре аустенита неоднородности – границы зерен, дислокации, мелкие частички других фаз, создающие поля внутренних напряжений. Данные напряжения вместе с напряжением, создаваемым внешней силой, способствуют росту кристаллов мартенсита, ориентировка которых лучше всего соответствует равнодействующей всех сил, возникающих в данном участке образца. Циклические переходы аустенита в мартенсит и обратно не проходят бесследно для структуры образца, несмотря на то, что накопленная при охлаждении деформация практически полностью исчезает при нагреве. Структура аустенита «привыкает» к появлению именно этих кристаллов и именно в определенных местах. Вырабатывается вторая память сплава – «память холодной формы». Теперь уже без внешней нагрузки сплав деформируется при охлаждении в том же направлении, а при нагреве восстанавливает исходную форму. Однако если охлаждением под нагрузкой можно получить ~ 10% относительную деформацию, то такой сплав дает деформацию всего 1 – 3%.