Care este mecanismul structural al transformarii martensitice?

O particularitate foarte importanta a transformarii martensitice este aceea ca

aceasta se produce doar la o racire continua. Intreruperea racirii la o temperatura mai

mare decat Mf duce la stabilizarea austenitei. Austenita devine mult mai stabila. La

racirea ulterioara a acesteia, transformarea ei este ingreunata si decurge cu o

intensitate mult mai mica. Efectul de stabilizare a austenitei depinde de temperatura

de mentinere (de intrerupere a racirii) la racire.

Transformarea martensitica se desfasoara in intervalul de temperaturi Ms si Mf

– temperatura de inceput si respectiv de sfarsit a transformarii martensitice. Pentru un

otel eutectoid, transformarea incepe la 240 0C si se termina la -50 0C. Dar, la aceasta

temperatura in otel este posibil sa ramana inca o anumita cantitate de austenita

netransformata, reziduala. Racirea sub temperatura Mf nu duce la transformarea

integrala a acesteia. Pozitia punctelor Ms si Mf nu depinde de viteza de racire, ci de

continutul de carbon din otel.

Caracteristicile principale ale transformarii martensitice sunt:

- transformarea se produce fara difuziune

- cristalele care se formeaza sunt dispuse dupa o anumita orientare cristalografica

- transformarea se produce la racire continua in intervalul de temperaturi Ms si Mf.

Cresterea volumului specific la formarea martensitei reprezinta una din

principalele cauze de aparitie la calire a tensiunilor interne mari ce provoaca

deformari ale piesei si aparitia de fisuri de calire.

Reglarea exacta a timpului de mentinere a piesei in primul mediu de racire se

poate realiza aplicand calirea in trepte (figura 135, curba 3). Prin aceasta metoda,

piesa este racita rapid intr-o baie de saruri cu temperatura putin superioara (cu 30 – 50 0C) temperaturii de transformare martensitica Ms, mentinerea la aceasta temperatura

pana la uniformizarea temperaturii in intreaga sectiune a piesei si racirea finala in aer.

Figura 135 – Schema regimurilor corespunzatoare diferitelor metode de calire: 1 – calire

directa;

2– calirea in doua medii; 3 – calirea in trepte; 4 – calirea izoterma; 5 – regimul ideal de

racire;

Transformarea martensitica se produce la o viteza lenta, in aer, fapt ce duce la scaderea

puternica a tensiunilor interne din piesa.

Dezavantajul acestei metode consta in limitarea dimensionala a pieselor. Datorita vitezei de

racire scazute, intr-un mediu de calire relativ cald, piesele mari pot avea in zonele centrale, de miez,

viteze mai mici decat cea critica. Diametrul maxim al pieselor din otel carbon, calibile prin aceasta

metoda este de 10 mm, iar al otelurilor aliate de 20-30 mm.

Austenita reziduala scade duritatea si rezistenta la uzura a pieselor si poate duce la

modificarea dimensionala a acestora, in exploatare la temperaturi scazute, datorita formarii de la

sine a martensitei din austenita reziduala. Pentru diminuarea austenitei reziduale din structura se

aplica tratamentul la frig.

Tratamentul la frig consta din racirea otelului sub 0 0 C pana la temperatura de sfarsit de

transformare martensitica Mf (de obicei sub -75 0 C), adica in gheata uscata in amestec cu alcool.

Tratamentul la frig trebuie efectuat imediat dupa calire pentru a evita stabilizarea austenitei.

Viteza de formare a cristalelor de martensita este foarte mare, atingand 1000 m/s. Plachetele

de martensita cresc pana la limita grauntelui de austenita sau pana la un defect structural oarecare

din otel. Urmatoarele plachete de martensita care se formeaza sunt dispuse sub un unghi de 600 , 1200

fata de primele.

Viteza mare de formare a cristalelor de martensita se explica prin faptul ca are loc o trecere

continua de la reteaua austenitei la cea a martensitei. Trecerea aceasta este practic instantanee. Se

pastreaza planele comune, de jonctiune dintre retelele α si γ, asa numitele interfete coerente.

Transformarea coerenta asigura deplasarea atomilor, la trecerea dintr-un tip de retea in altul, doar pe

distante foarte mici. De aceea reteaua cristalina a noii faze – martensita – are o anumita orientare

fata de faza initiala – austenita. Tensiunile coerente si diferenta de volum dintre cele doua faze

(austenita si martensita) reprezinta cauza pentru care transformarea martensitica duce la aparitia

unor puternice tensiuni interne.

Transformarea martensitica este foarte sensibila la tensiuni, deformarea austenitei putand

provoca transformarea in martensita chiar si la temperaturi mai mari decat Ms (se formeaza

martensita de deformare).

Una din cele mai importante transformari din materialele metalice este transformarea martensitica. Aceasta transformare se produce in unele metale care prezinta transformari polimorfice ca fierul, cobaltul, titanul si zirconium si in unele aliaje feroase si neferose ca oteluri, aliaje fier-nichel, cupru-aluminiu, cupru-staniu, indium-thaliu, litiu-magneziu etc.Transformarea martensitica este o transformare fara difuzie; ea se produce la temperaturi scazute unde viteza de difuzie si viteza de autodifuzie sint nule. S-a aratat ca este tot o transformare cu germinare si crestere dar sint deosebiri esentiale intre transformarile cu difuzie si transformarea martensitica deosebiri care privesc atit modul de formare si natura germenilor cit si modul lor de crestere. Germenii la transformarea martensitica pot fi formati prin trei procese:a – germinare clasica omogena sau eterogena prin fluctuatii termice; b - fixare prin racire brusca a embrionilor formati la temperatura inalta; acesti embrioni la temperatura de formare aveau dimensiuni subcritice, la temperatura de racire dimensiunile lor sunt supracritice; c – pe cale atermica prin gruparea unor defecte de structura obtinindu-se centre de deformare cu structura apropiata de a martensitei. In toate cazurile nucleele sint separate de matrice prin interfatele coerente si semicoerente. Nucleele odata formate cresc adica interfetele avanseaza prin deplasari coordonate ale unor grupuri mari de atomi din faza initiala. Astfel de deplasari se produc in asa fel incit ele dau nastere unor structuri; in timpul acestor deplasari fiecare atom parcurge distante mai mici de un parametru de retea. Fiind vorba de o deplasare simultana, coordonata a unui numar mare de atomi, procesul cresterii germenilor de martensita se deosebeste net de procesele cresterii germenilor prin difuzie fiind similar proceselor de alunecare si maclare. Dupa transformare un atom are aceeiasi vecini ca si in faza initiala, numai ca pozitiile lor relative

sunt diferite. Ca urmare compozitia chimica a martensitei este identica cu cea a fazei initiale. Un cristal de martensita contine acelasi numar de atomi ca si regiunea din cristalul initial din care s-a format dar modificindu-se reteaua, forma si volumul cristalului de martensita este diferit. Schimbarea volumului si formei prin transformarea martensitica se pune in evidenta lustruind inainte de transformarea martensitica suprafata unui cristal al fazei initiale; dupa transformare pe fata plana a cristalului initial apar regiuni inclinate.Figura 1 Modificarea formei la cresterea unui cristal de martensitaDin figura se vede ca cristalele de martensita au forma de placi care strabat cristalul fazei initiale de la o limita la alta doar ca la cresterea sa nu intilneste alte placi de martensita; in cazul general intr-un cristal de faza initiala se formeaza mai multe placi de martensita care se intilnesc sub diferite unghiuri, pe suprafata lustruita a cristalului formind un aspect acicular caracteristic. Placile de martensita formate intr-un cristal al fazei initiale sint paralele cu anumite plane ale fazei initiale, plane numite habitale. Planele habitale sint plane de indici mari; in cazul otelurilor cu continut ridicat in carbon planele habitale sint planele (225) ale austenitei γ. Planele habitale variaza cu compozitia si cu temperatura de reactie. Este clar ca intre cristalele de martensita si cristalele din care s-au format exista o relatie de orientare; pentru citeva metale si aliaje, aceste relatii sunt date in tabelul urmator:Tabel Relatiile de orientare dintre cristalele de martensita si cristalele fazei initiale