Хрупкость, тетрагональность, изменение морфологии мартенсита, дестабилизация аустенита углеродом, если его больше ~ 0,5 %, как следствия наличия предполагаемой промежуточной фазы ~ Fe42C

У нелегированного аустенита с ~ 0,55 % С максимумы электросопротивления и его температурного коэффициента при 1200 °C [1, c. 100], также максимумы твердости при 910 и 1000 °C [2, c. 1066].

Комментарий к максимуму физических свойств таков: «Экстремальное поведение… нельзя объяснить изменением фазового состава» [1, с. 102].

Кривые с максимумом твердости описаны так: «В случае кратковременных испытаний твердость аустенита тем выше, чем больше в нем содержание углерода» [2, c. 1066]. И.И. Корнилов воспроизвел эти кривые [3, c. 218], но тоже не прокомментировал максимумы. Такая реакция на них в [2] и [3], возможно, связана с необычным (обескураживающим) влиянием углерода (примеси внедрения) на твердость твердого раствора (аустенита).

Полагаем, можно даже утверждать: максимумы (сингулярные точки на кривых состав – свойство) являются признаками наличия промежуточных фаз. Это «Н.С Курнаков подчеркивал» [4, c. 62].

Поскольку «всеобъемлющей классификации промежуточных фаз на основе какого-либо единственного признака в настоящее время нет» [4, c. 56], то вторым выбран ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЙ для конгруэнтно и инконгруэнтно плавящихся фаз признак – качественное изменение протяженности по температуре интервала кристаллизации по мере увеличения (уменьшения) содержания второго компонента [4, c. 57, 64]. Этот признак в точке В (0,5 % С) диаграммы Fe – Fe3C из-за изгиба ликвидуса самоочевиден. (Подобных аустенитной высокотемператур-– 913 – ных областей очень много, существует практика приписывания этим областям той или иной формулы, например FeMo, Fe2Te3. Такие фазы, как и аустенит, образуются по перетектической реакции и распадаются эвтектоидно [5, c. 766, 876].)

Вряд ли влияние углерода на свойства аустенита представляет интерес для практики. Но аустенит является родительской фазой мартенсита. Хорошо известно, что структура первого наследуется вторым.

Цель настоящего обзора – попробовать обосновать связь структуры и свойств мартенсита с предполагаемой промежуточной фазой ~ Fe 42 C (~ 0,5 % C).

Методика

Предлагаемая концепция основана на взятых из общеизвестных источников описаниях иллюстраций, аналогиях и цитатах. Злоупотребление последними полагаем необходимым, чтобы направить внимание возможного читателя не на критику концепции, а на иное осмысление представленных материалов.

Подчеркнем: промежуточные фазы «обычно» – но не всегда – «имеют кристаллическую структуру, отличную от структуры компонентов» [4, c. 55].

Обсуждение

«Особенность мартенсита, выявляемая сравнением его с другими растворами внедрения, – слишком низкая пластичность. Вопрос о природе низкой пластичности закаленной стали – основной для практики» [6, c. 37]. «Основная причина резкого охрупчивания при закалке углеродистых сталей – малая подвижность дислокаций в мартенсите, содержащим углерод» [7, c. 226].

Между тем практика показала: «Применение высокопрочных сталей, содержащих более 0,43–0,45 % С, вряд ли целесообразно» [8, c. 15]. При меньшем % С, например, сталь 40ХГСН3ВА не уступает по вязкости равнопрочной (σ В =2000МПа) безуглеродистой стали Н18К9М5Т [8, c. 133], которую во всех странах… выплавляют в вакуумных печах» [8, c. 116]. Высокочистые по сере и фосфору стали 38ХНМ и 38Х5МСФА при σ В ~ 2000 МПа имеют очень высокую вязкость на образцах с трещиной [9, c. 205].

Катастрофическую хрупкость мартенсита с % С > ~ 0,5 вряд ли можно связать с углеродом, так как, согласно С.З. Бокштейну, в интервале 0,4–0,7 % С практически не меняется «число элементарных ячеек мартенсита, на долю которых приходится по одному атому углерода» [10, c. 97]. В интервале 0,1–0,5 % С число таких ячеек уменьшается в пять раз.

Число элементарных ячеек подсчитано С.З. Бокштейном, чтобы обосновать причину неизменности твердости продукта закалки при % С > 0,5 [10, c. 97].

Между тем неизменность твердости вблизи составов промежуточных фаз Cu 3 Au и Pb 3 Na показана Р.С. Курнаковым, как и хрупкость, например, фазы FeAl₃ [11, c. 39, 469, 546]. Это позволяет связать – по аналогии – хрупкость и неизменность твердости мартенсита с % С > 0,5 с наличием промежуточной фазы ~ Fe₄₂C (~ 0,5 % C).

Отметим также, что вблизи состава фазы FeAl 3 электросопротивление и его температурный коэффициент практически неизменны [11, c. 543], как и твердость мартенсита [10, c. 543] вблизи предполагаемой фазы ~ Fe 42 C.

Неизменность твердости (на пяти кривых [12, c. 192, 193]) продукта закалки с % С > ~ 0,5 вряд ли связаны с остаточным аустенитом, так как при его содержании 21 % твердость максимальна (~ HRC 65) [12, c. 210].

Утверждение «тетрагональность мартенсита – прямое следствие содержания в растворе углерода» [13, с. 191] может выглядеть сомнительно в свете следующих наблюдений Г.В. Курдюмова с соавторами: «Термодинамический анализ показывает, что теоретически возможно распределение атомов углерода... только в одной подрешетке решетки с тетрагональной симметрией, так и неупорядоченное распределение по всем подрешеткам в решетке с кубической симметрией» [9, с. 56]; «Можно было ожидать, что перемещение атомов углерода к дислокациям должно сопровождаться изменением периодов тетрагональной решетки мартенсита... однако обнаружить эти изменения… пока не удалось» [9, c. 121]; «Проведенное на монокристаллах железоникелевых сталей... с точкой М Н около минус 35 °C показало, что... образуется мартенсит с тетрагональной решеткой даже при очень низких содержаниях углерода» [9, c. 55].

Вблизи минус 35 °C находится М Н безуглеродистого сплава с Fe + ~ 28 % Ni [12, c. 602]. Таким образом, тетрагональность мартенсита этого сплава может быть связана с фазой ~ Fe₃Ni. Необходимость учета этой фазы при обсуждении природы железоникелевого мартенсита подчеркивал Г.В. Курдюмов с соавторами [9, с. 115]. Тогда - по аналогии - тетрагональность углеродистого мартенсита может быть связана с фазой ~ Fe₄₂C.

К такой аналогии подталкивает учебник [7, с. 208], в котором со ссылкой на Крауса и Мадера изменение морфологии мартенсита от дислокационной к двойникованной при ~ 0,6 % С (в углеродистых сталях) и при ~ 27 ат. % Ni (в железоникелевых сплавах) рассматривается совместно.

Самым существенным, на наш взгляд, является следующее. Фаза Fe3Ni была декларирована в 1939 г. [5, c. 815], но в отличие от Г.В. Курдюмова с соавторами ее не признает большинство исследователей [5, c. 785], включая Э. Гудремона [12]. Но последний показывает уникальность сплава с ~ 25 % Ni – совершенную независимость от температуры коэффициента линейного расширения при (100–900 °C): все 9 кривых пересекаются в одной точке с абсциссой~ 25 % Ni [12, c. 661]; инвару далеко до этого сплава по постоянству коэффициента расширения.

На восьми кривых отчетливый максимум при ~ 25 % Ni электросопротивления, измеренного при 0-1000 °C [5, с. 807]. Введение ~ 25 % Ni скачкообразно повышает коррозионную стойкость железа в ~ 40 раз; из этого сплава делали корпуса лодок, перископы, торпеды [12, c. 634].

Как известно, промышленность потребляет не структуру, а свойства. Непризнание фаз Fe3Ni и Fe42C не отменяет аномалий свойств, например катастрофическую хрупкость заведомо обязанного быть пластичным твердого раствора (мартенсита с % С > 0,5). Аппеляции к подвижным во время испытаниям «охрупчиващим» атомам углерода вряд ли уместны - равнопрочные с углеродистыми безуглеродистые мартенситно-стареющие стали с интерметаллид-ным упрочнением имеют примерно тот же уровень пластичности и вязкости [8, c. 133].

Утверждение, что «углерод интенсивно снижает температуру начала и конца мартенситного превращения», не соответствует рисунку: под влиянием углерода МН действительно понижается почти линейно, но при % С > ~ 0,6 МК почти перестает зависеть от % С [13, c. 195]. С учетом всех экспериментальных точек (а не кривой МН, проведенной мимо них [13, c. 195]) это означает, что при ~ 0,5 % С интервал перекристаллизации МН - МК максимален, т.е. ста-– 915 – бильность аустенита против превращения в мартенсит максимальна. (Отметим, что интервал кристаллизации у инконгруэнтно плавящейся фазы максимален [4, c. 64].)

Увеличение % С выше ~ 0,5 сужает интервал МН – МК [13, c. 195], то есть дестабилизирует аустенит.

Максимальный интервал МН – МК при ~ 0,5 % С означает затруднение превращения аустенита в мартенсит. Так же «затрудняет образование мартенситной структуры» сверхструктура Fe3Pt [5, c. 836], что является доводом – по аналогии – для признания структуры Fe42C. (При высокой подвижности углерода упорядочение может проходить даже во время закалочного охлаждения.)

Среди доэвтектоидных сталей, закаленных в воду или жидкий азот, у стали с 0,5 % С локальный максимум модуля Юнга [14, c. 232]. Этот экстремум (сингулярная точка) является формальным основанием для признания промежуточной фазы ~ Fe 42 C. Но, возможно, экстремум связан с разной генеалогией атомов железа левее и правее точек В и О (0,5 % С): расплав → δ → γ → β → α и расплав → γ → α соответственно

Значение генеалогии подчеркивал Э. Гудремон [12, c. 792], связывая с ней резкие изменения свойств, включая коррозионную стойкость [12, c. 789, 792, 802, 814], всегда ферритных при 20 °C сплавов Fe – Cr левее и правее 12–13 % Cr , когда замыкается γ-область. Но есть и иная версия – аномалии свойств могут быть связаны со сверхструктурой Fe 7 Cr [5, c. 940].

Тогда – по аналогии – упомянутые изменения структуры и свойств мартенсита можно связать со сверхструктурой ~ Fe 42 C.

Заключение

Все приведенные экспериментальные данные и суждения взяты из трудов известных металловедов. Предложенное их толкование может представляться сомнительным, как сомнительны «успехи» в постижении высокой прочности мартенсита – «вклад каждого из факторов в общее упрочнение при закалке окончательно не установлен» [7, c. 225]. Это предполагает возможность открытой дискуссии, а не следование стереотипам.

Формальное хотя бы признание фазы ~ Fe 42 C делает символ промежуточной фазы – вертикаль при 0,5 % С, проведенную Д.К. Черновым 10.11.1916 [13, c. 114], – оправдавшейся «гениальной догадкой» (Ф. Энгельс. Происхождение семьи, частной собственности и государства).

Возможно, удастся определить структуру фазы Fe42C, хотя М. Хансен считал: «Промежуточная фаза может обладать выраженными химическими свойствами, подобными свойствам типичных соединений, не будучи по характеру своей кристаллической структуры соединением» [15, c. 377].

Есть соблазн считать М. Хансена «устаревшим», как и диаграмму Д.К. Чернова с вертикалью при 0,5 % С. Это противоречит наставлению А.А. Бочвара студентам: «Нельзя сделать общее заключение о большой верности новых диаграмм» [16, c. 194].