Материал: Функциональные материалы в аэрокосмической технике. Ожерельев В.В., Костюченко А.В

ходную позицию, и, смещаясь на расстояния, значительно превышающие межатомные, занимает новое положение в образующейся решетке. При этом он полностью или частично меняет своих соседей. Аналогичным образом происходит перестройка при изменении температуры в обратную сторону. При диффузионном превращении, очевидно, не происходит деформации (траектории отдельных атомов никак между собой не согласованы). Кроме того, такое превращение является необратимым: после обратной перестройки решетки исходная конфигурация конкретных атомов не восстанавливается, они «не помнят» своих соседей.

При низких температурах, когда диффузия атомов почти отсутствует, возможен бездиффузионный способ перестройки решетки. Такое превращение наблюдается при закалке стали из высокотемпературной аустенитной области, в результате которой образуется структура мартенсита (по имени немецкого металловеда А. Мартенса), состоящая из твердых пластинчатых или линзообразных областей. В этих областях в зернах аустенита произошла перестройка из ГЦК-структуры в ОЦК или ОЦТ решетку мартенсита.

Термин «мартенсит» изначально означал мелкоигольчатую структуру, наблюдавшуюся в сталях после закалки. Позже значения этого термина было уточненоα : мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. Изучение механизма образования мартенсита в сталях привело к созданию теории мартенситного превращения [3].

В настоящее время термины «аустенит», «мартенсит» и «мартенситное превращение» употребляются в значительно более широком смысле, поскольку подобные бездиффузионные сдвиговые превращения были обнаружены во многих чистых металлах, сплавах, керамиках, минералах, полимерах [1-4]. Исходную высокотемпературную фазу при таких превращениях обычно называют аустенитом, низкотемпературную– мартенситом.

16

Схема перестройки кристаллической решетки при мартенситном превращении показана на рис. 1.8. При бездиффузионном превращении атомы кооперативно, без разрыва межатомных связей перемещаются из исходных положений в решетке аустенита к новым положениям в решетке мартенсита. Данное перемещение носит характер сдвига (рис. 1.8, б) и приводит к деформации областей сплава, испытавших превращение. Эту деформацию можно зафиксировать экспериментально по появлению рельефа на предварительно отполированной поверхности образца (рис. 1.9).

г

Рис. 1.8. Схематичное представление перестройки аустенитной решетки (а) в мартенсит (б) при охлаждении, включая дополнительную внутреннюю деформацию пластин мартенсита путем скольжения (в) или двойникования (г)

Указанное изменение формы при мартенситном превраще-

нии представляет собой деформацию с инвариантной плоско-

стью, и данная плоскость является плоскостью габитуса (поверхность раздела между исходной и конечной фазами). Деформацию с инвариантной плоскостью можно описать как однородное искажение, при котором смещение любой точки осуществ-

17

ляется в одном направлении и пропорционально расстоянию от фиксированной инвариантной плоскости, на которую не влияет деформация [1].

Рис. 1.9. Образование рельефа на поверхности образца

врезультате мартенситного превращения (ГЦК->ОЦК)

всплаве Fe-21.5% Pt (оптическая микрофотография) [1]

На рис. 1.10 представлена схема деформации с инвариантной плоскостью. Линия DE на этом рисунке – риска на поверхности образца, которая после образования пластины мартенсита переходит в линию DF. АBC – габитусная плоскость, в результате превращения она остается инвариантной (неискаженной и неповернутой).

В качестве примера можно привести мартенситное превращение ГЦК->ОЦК, которое имеет место, в частности, в сплавах железа. Механизм такого превращения, как впервые предположил Бейн в 1924 г., состоит в однородной «перестройке» ГЦК решетки в решетку ОЦК. Схема такой перестройки показана на рис. 1.11.

18

Рис. 1.10. Схематическое представление деформации с инвариантной плоскостью при мартенситном превращении

Рис. 1.11. Деформация Бейна для мартенситного превращения ГЦК->ОЦК (ОЦТ): а – решетка аустенита; б – выделенная тетрагональная ячейка; в – тетрагональная решетка мартенсита

19

Учитывая только деформацию при однородной перестройке решетки, не удается объяснить возникновение реальной решетки мартенсита: мартенсит дополнительно пластически деформируется (скольжением, двойникованием, образованием дефектов). Эта вторичная деформация дает сдвиг, называемый не-

однородным или дополнительным сдвигом. Появление вторич-

ной деформации, называемой также деформацией с инвариантной решеткой, можно объяснить следующим образом. Деформация формы при мартенситном превращении достигает 10-20 %, несоответствие решеток аустенита и мартенсита приводит к возникновению больших аккомодационных напряжений, приводящих в свою очередь к вторичной деформации мартенсита. Вторичная деформация может осуществляться пластическим течением путем скольжения (рис. 1.8, в) – такой механизм характерен для сплавов на основе железа. Во многих других случаях вторичная деформация осуществляется путем двойникования (рис. 1.8, г). На рис. 1.12 показано изображение мартенситной пластины и окружающего его аустенита в сплаве Fe – 25 % Ni – 0.5 % C, полученное при помощи электронного микроскопа. Тонкие полосы внутри пластины представляют собой двойники превращения.

Рис. 1.12. Край внутренне сдвойникованной мартенситной пластины в сплаве Fe –25 % Ni – 0.5 % C (× 30000)

20