§ 7. Как закаливается сталь?

Казалось бы, что общего между закалкой стали и явлением запоминания формы? Однако, как это ни странно на первый взгляд, такая связь существует. Чтобы разобраться в причинах удивительной способности сплавов запоминать форму, надо по крайней мере схематично представить себе, что происходит при закалке стали. Это будет соответствовать и исторической последовательности событий, которые привели к открытию памяти металлов. Таким образом, в течение нескольких минут читатель проделает путь, на который человечеству потребовалось много веков.

Еще в "Одиссее" Гомера мы находим упоминание о закалке стали: "Так расторопный ковач, изготовив топор иль секиру, в воду металл (на огне раскаливши его, чтоб двойную крепость имел) погружает, и звонко шипит он в холодной влаге". Эта ассоциация возникла у Одиссея в момент, когда он вместе с двенадцатью надежными и отважными спутниками вонзил раскаленный кол в единственный глаз циклопа - людоеда Полифема. Поскольку в "Одиссее" описываются события времен Троянской войны (XII век до н. э.), ясно, что люди умеют закаливать сталь уже более трех тысяч лет. Приведем еще менее приятную цитату из летописи храма Балгала (Малая Азия, IX век до н. э.), в которой описан метод закалки булатного клинка: "Нагревать, пока он не засветится, как восходящее в пустыне солнце, затем охладить его до цвета царского пурпура, погружая в тело мускулистого раба... Сила раба, переходя в кинжал, и придает металлу твердость".

Рис. 75

В средние века считалось, что охлаждать раскаленную сталь необходимо в моче рыжего мальчика, а когда отказались и от этого рецепта, то появились новые, тоже довольно странные. Например, американцы в течение долгого времени танкерами возили воду для закалки стали из Англии, так как по их мнению хорошую закалку можно было сделать только в английской воде.

Очевидно, что эти нелепые, подчас дикие методы закалки стали и прочие рецепты и секреты - все это плоды незнания. Лишь в 20 - 30-х годах нашего столетия была выяснена природа процессов, протекающих при закалке стали и ответственных за резкое изменение ее свойств - повышение твердости, прочности и др. Оказалось, что возможность закаливать сталь базируется на полиморфизме железа.

Рис. 76

Явление полиморфизма, которое свойственно некоторым металлам и сплавам, - это способность существовать в разных кристаллических модификациях (фазах). Сейчас особенности полиморфных превращений хорошо изучены. В ходе охлаждения при постоянном давлении, уже после затвердевания, при какой-то температуре происходит переупаковка атомов в решетку другого типа. При дальнейшем охлаждении может происходить новая перестройка атомов в решетку третьего типа или (в железе) снова в решетку первого типа. Например, марганец существует в четырех (!) кристаллических модификациях. При нагреве все перестройки решетки обычно идут в обратном порядке. Изменение решетки металлов и сплавов при охлаждении или нагреве - это пример фазового превращения.

Многие фазовые превращения нам знакомы с детства. Например, при таянии льда получается вода (жидкая фаза). При дальнейшем нагревании вода превращается в пар (газообразная фаза). Но при таких превращениях фазы резко различаются по величине межатомных расстояний и характеру теплового движения атомов, а в твердом состоянии фазы различаются лишь способом упаковки атомов, расстояния между которыми меняются незначительно. Механические свойства разных кристаллических модификаций одного и того же металла, конечно, не различаются столь сильно, как, скажем, свойства воды и льда. Однако различия физических (например, магнитных) свойств могут быть очень резкими.

В остальном имеется определенное сходство превращений жидкость кристалл и кристалл (с другой решеткой). В чистом металле полиморфное превращение идет при строго определенной температуре, зависящей от внешнего давления (как и плавление или кристаллизация). Только при этой температуре возможно мирное сосуществование двух фаз. Если превращение при нагреве требует затраты определенного количества тепловой энергии, то превращение, идущее при охлаждении, как и при кристаллизации, сопровождается выделением тепла.

Есть два основных механизма фазовых превращений в твердом теле. Если температура еще достаточно высока (скажем, 0,5 Т_пл) и атомы сравнительно подвижны, они способны обмениваться местами с соседями и перемещаться на расстояния, превышающие межатомное. В этом случае атомы как бы покидают свои позиции в старой решетке и поодиночке или небольшими группами пристраиваются к новой.

Если же эта перестройка одной кристаллической решетки в другую идет при низких температурах, то характер атомных смещений изменяется. Здесь уже подвижность атомов низка, и они не могут менять соседей, поэтому они попадают в новые положения, соответствующие другой решетке, в результате взаимно согласованных перемещений на малые расстояния.

Геометрически эта ситуация аналогична изображенной на рис. 32 и 33: атомы в одном слое совместно смещаются относительно атомов другого слоя. Отличие лишь в том, что порядок упаковки атомов в соседних слоях разный - в одном слое они образуют решетку одного типа, а в другом - другого.

Превращенная область в кристаллическом теле как бы испытывает сдвиг относительно соседней, в которой еще сохранилась старая решетка, а также относительно того же самого участка с прежним порядком упаковки атомов, в котором она сама образовалась. Превращения этого типа были названы мартенситными, а образующаяся в результате фаза с новой решеткой - мартенситом (в честь немецкого металловеда Мартенса; не путайте с Мартеном, изобретателем сталеплавильного процесса). Высокотемпературную фазу в железе и стали (а позднее, по аналогии, и в других сплавах) назвали аустенитом - в честь английского металлурга Аустена. Именно превращение аустенита в мартенсит ответственно за резкое изменение свойств стали при закалке.

Дело в том, что высокотемпературная модификация железа - аустенит - имеет гранецентрированную кубическую решетку с плотной упаковкой (с. 46), но сравнительно большим размером пор, в которых могут размещаться атомы углерода. Вследствие этого в аустените его может раствориться до 2% (по массе). Таким образом, весь углерод, имеющийся в составе стали (а его обычно значительно меньше 2%), при температурах 800 - 1000°С находится в решетке аустенита, образует твердый раствор внедрения. Низкотемпературная α-модификация железа - феррит - имеет объемноцентрированную кубическую решетку (см. см. выше) со значительно меньшим объемом пор и практически не растворяет углерод.

Если охлаждать аустенит медленно, то в ходе образования α-фазы железа углерод будет выделяться из твердого раствора, вступая в химическое соединение с железом. Тогда при низких температурах структура стали будет представлять собой смесь феррита, в котором почти нет углерода, и карбида железа Fe₃C, в котором углерода около 7%.

Процесс образования карбида требует перемещения атомов углерода на значительные расстояния: они должны скапливаться в тех участках аустенита, где возникнет карбидная частица, и наоборот, освобождать от своего присутствия те объемы, в которых образуется феррит, не желающий растворять углерод. Но диффузионная подвижность атомов углерода, как мы помним, сильно зависит от температуры, и ниже 200 - 300°С описанный процесс становится невозможным. Быстрое охлаждение при закалке как раз и нужно для того, чтобы привести аустенит в этот интервал температур, не допустив его распада на смесь феррита и карбида. Тогда и реализуется мартен- ситное превращение, в результате которого атомы углерода принудительно "загоняются" в решетку феррита, вопреки его нежеланию. Весь углерод, растворенный при нагреве в аустените, автоматически переходит в феррит, вызывая в его решетке сильнейшие искажения. Если в стали, скажем, 0,6% углерода, то после закалки мы получаем 100-кратное пересыщение феррита, так как при комнатной температуре он растворяет добровольно лишь 0,006% углерода. Как установил Г. В. Курдюмов, бездиффузионное превращение аустенита в сильно пересыщенный феррит (мартенсит) и вызывает резкое упрочнение стали. Теперь ее трудно пластически деформировать, поскольку дислокации в мартенсите двигаются с большим трудом. Движению дислокаций препятствуют те искаженные области решетки, в которых располагаются атомы углерода, а эти области отстоят друг от друга уже не на тысячи (как в феррите с 0,006 % углерода), а лишь на десятки межатомных расстояний.