Экспериментальные основания динамической теории мартенситных превращений

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

В. Г. Чащина, М. П. Кащенко

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ 
ОСНОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ 
ТЕОРИИ МАРТЕНСИТНЫХ 
ПРЕВРАЩЕНИЙ

Учебное пособие

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом  
Уральского государственного лесотехнического университета

Ч305
Чащина, В. Г.
Экспериментальные основания динамической теории мартенситных превращений : учебное пособие / В. Г. Чащина, М. П. Кащенко ; 
Уральский государственный лесотехнический университет. —  Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2020. — 46 с. : ил. —  Библиогр. : 
с. 41–45. — 300 экз. —   ISBN 978-5-7996-2971-7. —  Текст : непосредственный.

ISBN 978-5-7996-2971-7

В пособии дается обзор экспериментальных данных, существенных 
для построения динамической теории мартенситных превращений. Особое внимание уделено данным, относящимся к γ-α превращению в сталях 
и сплавах на основе железа. Отмечается принципиальная роль неравновесных условий протекания превращения и фактов, свидетельствующих 
о сверхзвуковой скорости роста кристаллов мартенсита.
Адресовано студентам, магистрантам, аспирантам и специалистам 
в области физики твердого тела, физического материаловедения и физического металловедения.
УДК 544.2(07)
ББК 22.3я7

УДК 544.2(07)
ББК 
22.3я7
 
Ч305

© Чащина В. Г., Кащенко М. П., 2020
ISBN 978-5-7996-2971-7 
© Издательство Уральского университета, 2020

Ре ц е н з е н т ы:
С. Д. Прокошкин, д-р физ.-мат. наук, профессор, главный научный сотрудник 
кафедры обработки металлов давлением Национального исследовательского 
технологического университета «МИСиС» (Москва)
С. П. Беляев, д-р физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник кафедры 
теории упругости Санкт-Петербургского государственного университета 
(Санкт-Петербург)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 
5
1. Характерные признаки самопроизвольного  
(при охлаждении) γ-α мартенситного превращения 
10
1.1. Количественные характеристики мартенситного  
превращения как фазового перехода I рода 
11
1.2. Морфологические признаки 
 γ-α мартенситного превращения 
13
1.3. Кинетические признаки γ-α мартенситного превращения 
16
1.4. Скорость роста кристаллов мартенсита  
при γ-α мартенситном превращении 
17
2. Устойчивость решетки вблизи температуры Ms 
23
3. Проблема зародышеобразования  
при γ-α мартенситном превращении 
26
3.1. Эксперименты с малыми частицами 
26
3.2. Гетерогенная природа зарождения 
27
3.3. О предмартенситных состояниях 
28
3.4. Замечание о дислокационных моделях зародыша  
новой фазы и роста кристалла 
29
4. Влияние внешнего магнитного поля на температуру начала 
мартенситного превращения 
30
5. Ориентационный эффект во внешнем магнитном поле 
32
6. Существование критического размера зерна для протекания 
мартенситного превращения 
33
7. Влияние химического состава на протекание мартенситного 
превращения 
35

7.1. Различие темпов изменения температуры  
Ms в случаях сплавов замещения и внедрения 
35
7.2. Наличие нескольких «ступеней» Ms  
в зависимости от скорости охлаждения 
36
7.3. Зависимость «ступеней» Ms  
от концентрации легирующего элемента 
37
Выводы 
38
Вопросы для самоконтроля 
39
Библиографические ссылки 
41

ВВЕДЕНИЕ

Верно определяйте слова, и вы 
освободите мир от половины недоразумений.
Рене Декарт

Мы не случайно вынесли в эпиграф слова выдающегося математика и основателя рациональной методологии Р. Декарта, поскольку 
лишь после введения основных понятий для данного раздела науки 
можно предметно обсуждать как сложившуюся систему представлений, так и проблемные вопросы, в эту систему не укладывающиеся. 
Роль подобных вопросов чрезвычайно велика, так как ответы на них 
задают естественные направления развития (точки роста) данной 
отрасли знаний.
Начнем с самых общих утверждений:
 
— мир материален, т. е. обладает свойствами (законами), существующими объективно (независимо от сознания исследователя);
 
— все объекты материального мира взаимодействуют между 
собой;
 
— физика —  наука о взаимодействии объектов материального 
мира, т. е. фундамент всего естествознания.
Отсюда очевидно, что в естествознании нет ни одного вопроса, 
не связанного с физикой. В частности, физика конденсированного 
состояния изучает совокупность свойств вещества, находящегося 
в твердом и жидком состоянии.
Вещество при изменении внешних параметров (прежде всего 
температуры и давления) способно испытывать фазовые превращения, например, из одного агрегатного состояния в другое: переходы 
жидкость → твердое тело (кристаллизация) или твердое тело → 
жидкость (плавление), жидкость → газ (кипение), газ → жидкость 

(конденсация), твердое тело→ газ (сублимация), газ → твердое тело 
(десублимация).
Под фазой (см., например, [1]) понимается гомогенная (однородная) часть гетерогенной (неоднородной) системы, ограниченная 
поверхностью раздела. Совокупность отдельных гомогенных частей 
системы, обладающих одинаковыми свойствами, считается одной 
фазой (например, совокупность кристаллов одного вещества или 
совокупность капелек жидкости, взвешенных в газе и составляющих туман). При переходе через поверхность раздела хотя бы одно 
из свойств вещества изменяется скачком.
Если скачком меняется само состояние системы, что сопровождается изменением удельного объема и тепловым эффектом, 
то говорят о фазовом переходе I рода. К таковым относятся перечисленные выше превращения агрегатных состояний веществ. Если же 
состояние меняется непрерывно, а скачком меняется симметрия 
системы, переход относят к переходу II рода.
Часто (но не всегда) поверхность раздела является видимой. Гомогенная система содержит только одну фазу, гетерогенная система 
состоит из двух или более фаз.
Для дальнейшего важно, что и вещество, находящееся в твердом состоянии, испытывает фазовые переходы (полиморфные 
превращения). Наиболее распространенным для атомов твердого 
тела является их кристаллическое состояние, при котором атомы 
регулярным (периодическим) образом заполняют пространство. 
Имеется ограниченное число вариантов подобного заполнения. 
Каждому из вариантов соответствует своя элементарная ячейка, 
характеризующая данное кристаллическое состояние. Полиморфные 
превращения —  это переходы между различными кристаллическими состояниями.
Если атомы при переходе смещаются согласованным кооперативным путем, то фазовый переход называют мартенситным. 
Если же перестройка структуры связана с индивидуальным (например, диффузионным) перемещением атомов, говорят о нормальном 
превращении.
Исторически термин «мартенситное превращение» связан 
с превращением, протекающим в сталях или сплавах на основе 

железа при достаточной (для подавления диффузии компонентов 
сплава) скорости охлаждения исходной фазы с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК), которую называют также аустенитом* или γ-фазой. Продукт превращения —  фаза с объемноцентрированной кубической (ОЦК) (или тетрагональной —  ОЦТ) 
решеткой —  именуется мартенситом** или α-фазой. Именно для 
этого γ-α мартенситного превращения был накоплен наибольший 
объем информации, а характерные его признаки легли в основу 
идентификации кооперативных структурных превращений в твердых телах при класификации полиморфных превращений. На рис. 1 
приведены соответствующие элементарные ячейки, где атомам сопоставлены кружки, расположенные в вершинах, серединах граней 
или в центре куба.
Следует иметь в виду, что это изображение является идеализированным, относящимся к положениям, вблизи которых атомы 
(либо ионы) совершают колебания.
В настоящее время мартенситное превращение рассматривается 
в качестве одного из основных вариантов реализации структурных 
превращений в твердых телах.

* В честь металлурга У. Робертса-Остина.
** В честь металлурга Р. Мартенса.

Рис. 1. Элементарные ячейки ГЦК (слева) и ОЦК (справа) решеток:  
a —  параметр решетки

В большинстве случаев мартенситные превращения протекают 
как превращения I рода, причем γ-α превращение обладает ярко 
выраженными признаками перехода I рода.
Цель данного учебного пособия —  сосредоточить внимание 
на основных экспериментальных фактах, касающихся данного превращения.
При обзоре экспериментального материала следует иметь в виду, 
что часть фактов должна быть положена в основу теории, т. е. использоваться в качестве постулатов. Не меньшую роль играют факты, без объяснения которых теория мартенситных превращений 
не может рассматриваться в качестве полной теории. С этих взаимно дополнительных позиций и проводились отбор и группировка 
важнейших экспериментальных данных.
Разумеется, при анализе материала предполагается, что читатель знаком с основными понятиями равновесной термодинамики, 
описывающей, как известно, состояния макроскопических систем 
с помощью задания значений небольшого числа переменных, минимальный набор которых включает абсолютную температуру T, 
давление P, объем V. Тем не менее перечислим кратко важнейшие 
понятия. Связь между термодинамическими переменными выражает уравнение состояния. Большую роль при анализе устойчивости различных фаз играют термодинамические потенциалы, 
являющиеся функциями состояния системы: внутренняя энергия 
U, энтропия S, свободная энергия F, энтальпия H, потенциал Гиббса 
G. Функциями процессов перехода между состояниями системы 
являются изменения энергии в форме теплоты ΔQ и работы ΔA. 
Усредненное описание макросистемы в термодинамике базируется на трех началах (постулатах): первое начало выражает закон 
сохранения энергии, второе —  закон эволюции замкнутых систем, 
третье —  предельный переход: S → 0 при T → 0. Заметим, что при 
аксиоматической формулировке вводится и нулевое начало.
При указании кристаллографических характеристик используется декартова система координат с осями вдоль трех ортогональных ребер элементарной ГЦК ячейки (γ-фазы). Отдельное направление указывается тремя числами в квадратных скобках, а для 
семейства аналогичных направлений используют угловые скобки: 

[hkℓ] и <hkℓ>. Отдельная плоскость указывается числами в круглых 
скобках, а для семейства плоскостей используют фигурные скобки: 
(hkℓ) и {hkℓ}.
Подчеркнем, что термодинамическое описание способно указать 
лишь на потенциальную возможность γ-α мартенситного превращения, а именно: если при охлаждении свободная энергия α-фазы Fα 
окажется ниже, чем Fγ. Однако суть превращения кроется в выяснении механизма согласованного (кооперативного) смещения атомов. 
Поэтому решение проблемы требует и динамического рассмотрения. Очевидно, что термодинамический и динамический подходы 
дополняют друг друга. Грубо говоря, термодинамика оценивает 
энергетический ресурс, который может быть использован для реализации превращения, динамика же находит пути эффективного 
использования энергетического ресурса.
Поскольку свойства металлов и сплавов в значительной степени 
определяются электронной подсистемой, естественно полагать, что 
особенности мартенситного превращения в металлических системах 
обусловлены спецификой взаимодействия электронной и ионной 
(решеточной) подсистем. Собственно, такой вывод справедлив для 
анализа любой проблемы физического металловедения.

1. ХАРАКТЕРНЫЕ ПРИЗНАКИ 
САМОПРОИЗВОЛЬНОГО (ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ)  
g‑a МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ

Существует достаточно много монографий, учебников и обзоров 
(см., например, [2–15]), в которых освещены ретроспектива исследований, а также и основные черты γ-α превращения. Поэтому нет 
необходимости вести изложение в исторической последовательности, заметим лишь, что начало количественным исследованиям γ-α 
мартенситного превращения положено в 20-е гг. XX в., а именно 
рентгенографически было установлено, что низкотемпературная 
фаза (мартенсит) в стали имеет объемноцентрированную тетрагональную (ОЦТ) кристаллическую решетку, в то время как исходная 
высокотемпературная фаза (аустенит) имеет ГЦК решетку [16]. 
Объемноцентрированная тетрагональная решетка типична для 
сплавов внедрения (Fе-С, Fе-N), причем величина тетрагональности растет с концентрацией внедренного компонента, тогда как для 
сплавов замещения (Fе-Ni, Fе-Мn) более характерна ОЦК решетка 
или же заметно меньшая тетрагональность. Для обоих типов сплавов мартенситное превращение обладает сходными признаками, при 
перечислении которых в основном будем следовать [2], используя 
для количественной иллюстрации системы Fe-С, Fе-Ni.
Определение Г. В. Курдюмовым механизма мартенситного превращения как закономерного скачкообразного процесса перестройки 
решетки, при котором относительные перемещения соседних атомов 
не превышают межатомных расстояний, позволило рассматривать 
мартенситное превращение как фазовый переход без изменения состава, подобный фазовым переходам в однокомпонентных системах.

1.1. Количественные характеристики мартенситного 
превращения как фазового перехода I рода

Для переходов I рода, как известно [4], температура равновесия 
фаз T0 определяется равенством свободных энергий Гельмгольца 
F: Fγ(T0) = Fα(T0), а необходимость затрат энергии на создание границы раздела фаз приводит к явлениям переохлаждения ниже T0 
в случае прямого (перегрева выше T0 для обратного) превращения. 
Обозначим Ms и As температуры начала прямого γ-α и обратного α-γ 
мартенситных превращений соответственно. Типичные значения 
температурного гистерезиса велики и достигают (Ms – As) ≈ 400 K, 
стало быть, значительны и величины переохлаждения (перегрева): 
T0 – Ms ≈ As – T0 ≈ 200 K.
Существенным является и объемный эффект, оцениваемый 
разными авторами в пределах 2–5 %, причем удельный (на единицу 
массы) объем α-фазы больше.
Удельный тепловой эффект [17] достигает сотен калорий 
на моль, вызывая при прямом мартенситном превращении разогрев образца на десятки градусов.
Приведенные характеристики показывают, что мартенситное 
превращение протекает при значительных отклонениях от положения термодинамического равновесия.
Скачкообразное изменение удельного объема, сопровождающееся выделением большой энергии, приводит как минимум к двум 
важным следствиям. Во-первых, в области решетки, которая первой 
испытала скачкообразное превращение, возбуждаются колебания 
ионов (атомов), поскольку теплоемкость кристаллов почти полностью определяется решеточной подсистемой, причем интенсивность 
колебаний должна заметно превышать уровень теплового фона. 
Во-вторых, вблизи границы области, испытавшей скачкообразный 
переход, должны возникать большие градиенты температуры и химического потенциала электронов, сопровождающиеся интенсивными потоками электронов, стремящимися сгладить возникшую 
неоднородность. Указанные особенности начального этапа превращения способны, как показывает теоретический анализ, привести 
к описанию специфики мартенситного превращения.

В связи с этим уместно отметить, что такой великолепный «навигатор» в океане полиморфных превращений, как фазовые диаграммы, относится к равновесным состояниям. Поэтому отражение 
возможностей протекания мартенситного превращения на фазовых 
диаграммах носит характер дополнений. Для сравнения на рис. 2 
и 3 приведены фрагменты равновесных диаграмм и мартенситных 
превращений для систем Fe-Ni, Fe-Mn.

Рис. 2. Фрагменты равновесных диаграмм для систем Fe-Ni и Fe-Mn [18]

Рис. 3. Диаграммы мартенситных превращений  
для систем Fe-Ni и Fe-Mn [19]