Фазовое полиморфное превращение в твердом состоянии.

Ряд металлов (Fe, Ti, Со и др.) имеет несколько модификаций кристаллических структур при различных температурах. Термодинамически полиморфные превращения (переход из одной модификации в другую) обусловлены минимумом объемной свободной внутренней энергии той или иной модификации в соответствующих температурных интервалах. Превращения в зависимости от условий охлаждения могут иметь диффузионный или мартенситный характер.

Диффузионные превращения. Диффузионные превращения происходят по механизму «образование и рост новой фазы». Образование зародыша происходит с увеличением свободной энергии системы, равной 1/3 поверхностной энергии зародыша (остальные две трети компенсируются уменьшением объемной свободной энергии). Возникновение зародышей обеспечивается за счет флуктуационного повышения энергии в отдельных группах атомов. При превращении в сплавах для образования зародыша необходимо также наличие флуктуации концентрации растворенного элемента. Это условие затрудняет образование зародышей новой фазы, особенно если ее состав сильно отличается от исходной. При превращении в твердом состоянии образование зародышей также тормозится упругой деформацией фаз. Последняя обусловлена различием удельных объемов исходной и образующихся фаз. Энергия упругой деформации увеличивает свободную энергию подобно поверхностной энергии.

Среди образовавшихся зародышей способностью к дальнейшему росту обладают зародыши, размер которых равен или превышает критический. В этом случае баланс поверхностной и объемной энергий получает отрицательное значение и рост новой фазы происходит с уменьшением свободной энергии системы. Критический размер зародышей уменьшается с увеличением степени переохлаждения (или перегрева) по отношению к равновесной температуре To, при которой объемные свободные энергии фаз равны. При этом скорость образования зародышей также будет уменьшаться, так как с понижением температуры снижается диффузионная подвижность атомов, необходимая для формирования зародыша новой фазы. Зависимость вероятности образования новой фазы от степени переохлаждения будет иметь максимум, при нагреве вероятность будет монотонно возрастать с увеличением степени перегрева.

При росте новой фазы изменение составляющих свободной энергии аналогично изменениям при образовании зародышей. Поэтому зависимость линейной скорости роста новой фазы от степени переохлаждения также имеет максимум, но сдвинутый в сторону меньших переохлаждений. Общая скорость фазового превращения определяется суммой скоростей зарождения и роста новой фазы.

При постоянной температуре ниже (или выше) To процесс превращения протекает изотермически и количество новой фазы увеличивается со временем. Кинетика фазовых превращений при различных степенях переохлаждения описывается изотермичесними диаграммами превращения, называемыми также С-образными диаграммами превращения. Фазовое превращение в условиях непрерывного охлаждения или нагрева подчиняется тем же основным закономерностям, что и изотермическое превращение. Условно превращение при непрерывном изменении температуры можно рассматривать как серию многочисленных изотермических превращений при последовательно меняющихся температурах. В этом случае кинетика фазового превращения описывается анизотермической диаграммой превращения (рис. 1, а).

В материаловедческой практике эти диаграммы строятся в координатах температура - время. При этом максимальная температура соответствует нагреву при термообработке (закалке, отжигу), а время отсчитывается от момента начала охлаждения после выдержки при максимальной температуре. В сварочной практике нашли применение диаграммы, преобразованные в вид, удобный для практического использования при выборе теплового режима сварки. Во-первых, нагрев соответствует сварочному термическому циклу с максимальной температурой, близкой к температуре солидуса сплава; во-вторых, характер и температура превращений даются в зависимости от скорости охлаждения при сварке. В диаграммах для сталей приняты скорость охлаждения в диапазоне 600—500 °С (ω6/5) или время охлаждения от 800—500 °С (f8/5). Такие диаграммы получили название анизотермических диаграмм распада аустенита при сварке — АРА (рис. 1, б).

Примером превращения диффузионного типа является перлитное превращение при распаде аустенита при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Одной из характеристик перлитной структуры является окончательный размер колоний (перлитных зерен). Чем меньше размер аустенитных зерен и ниже температура превращения, тем меньше размер перлитных зерен. С уменьшением их размера механические свойства структуры улучшаются.

Мартенситные превращения. Мартенситное превращение происходит путем совместного (кооперативного) перемещения многих атомов. Результирующее перемещение сводится к тому, что ряд элементарных ячеек исходной фазы как бы однородно пластически деформируется, переходя в ряд элементарных ячеек новой фазы. Мартенситное превращение называют бездиффузионным или сдвиговым.

Превращение начинается и заканчивается при достижении определенных фиксируемых температур Tмн и Tмк при значительном переохлаждении ниже Tо. В отличие от диффузионных превращений при мартенситном превращении 7"" и Тмк не зависит от скорости охлаждения. Поэтому они на диаграмме фазовых превращений выражаются горизонтальными прямыми (рис. 5.6). При этом превращение» начинается сразу после достижения Tмн, т. е. без инкубационного периода. После мартенситного превращения всегда остается некоторое количество непревращенной исходной фазы, несмотря на охлаждение ниже Tмк. При постоянной температуре в интервале Tмн — Tмк происходит быстрое превращение определенной доли исходной фазы, после чего превращение прекращается. При снижении температуры образовавшиеся ранее участки мартенситной фазы обычно не растут, а образуются ее новые участки. Превращение начинается внезапно и происходит с очень большой скоростью, которая практически не зависит от температуры. Степень превращения зависит от температуры и не увеличивается со временем пребывания при данной температуре.

Анизотрогшческая диаграмма превращения в стали 45 в координатах
Рис. 1. Анизотрогшческая диаграмма превращения в стали 45 в координатах «температура — время» (о) и «температура — скорость охлаждения» (б) (диаграмма АРА) 12]. А. Ф, П, Б и М — соответственно аустенит, феррит, перлит, бейнит и мартенсит

Мартенситное превращение характерно для сплавов, претерпевающих при охлаждении в твердом состоянии после сварки и термообработки полиморфные превращения. Мартенситное превращение имеет место при сварке среднеуглеродистых и легированных сталей на малых погонных энергиях без применения подогрева. Мартенситная а - фаза образуется при сварке титановых сплавов в широком диапазоне тепловых режимов.

В зависимости от внутреннего строения различают следующие типы мартенсита в стали: пластинчатый и пакетный. Пластинчатый мартенсит также называют игольчатым, низкотемпературным и двойниковым. Он образуется в высокоуглеродистых и среднеуглеродистых легированных сталях. Имеет форму тонких линзообразных пластин с двойниковыми прослойками в средней части.

Пакетный мартенсит, также называемый реечным, массивным, высокотемпературным и недвойниковым (дислокационным), имеет форму примерно одинаково ориентированных тонких пластин (реек). Они образуют плотный более или менее равноосный пакет. Ширина реек 0,1—1,0 мкм, поэтому оптической металлографией выявляются только их пакеты. По этой причине пакетный мартенсит получил название массивного. Пакетный мартенсит образуется в большинстве низкоуглеродистых легированных сталей. Тип мартенсита определяет его механические и технологические свойства. Например, пластинчатый мартенсит в околошовной зоне более склонен к образованию холодных трещин, чем пакетный. Это связано с тем, что у вершины двойниковой пластины создаются дислокации высокой плотности и высокий уровень микронапряжений.






Навигация
Болты
Винты, шпильки, штифты, прокладки
Пружины
Заклепки
Шпонки
Гайки
Резьба
Валы
Муфты
Подшипники
Виды соединений
Передачи
Материал
Дополнительные материалы
Госты метизов
Сварка
Мы в соцсетях
podshipniki.moscow применяемость подшипников
Сортовой металлопрокат: str-steel.ru в Москве с доставкой.