Теоретические основы фазовых и структурных превращений

Пластинчатый мартенсит образуется при сравнительно низких температурах, при которых основным механизмом аккомодации деформации является двойникование. Его еще называют игольчатым, двойникованным, низкотемпературным.

В высоколегированных сплавах, имеющих низкую (минусовую) температуру Мн, образуются полностью двойникованные тонкие кристаллы мартенсита, который называют тонкопластинчатым. Его пластины образуют остроугольные сочленения, но в отличие от линзообразного мартенсита, кристаллы тонкопластинчатого при столкновении могут пересекать друг друга.

Известно, что наиболее распространенными модификациями углерода являются графит и алмаз. При этом алмаз представляет собой метастабильную форму углерода, которая с течением времени медленно изменяется. Исследования различных авторов показывают, что существует несколько разновидностей алмаза, различающихся по свойствам и морфологии (например- гексагональная модификация, названная лонсдейлит).

Графит – существует в виде минерала слоистого типа, гексагональная кристаллическая модификация которого представляет собой наиболее устойчивую форму углерода в земной коре. Наряду с природным графитом существую также и кристаллические разновидности искусственного графита – доменный и карбидный.

Доменный графит выделяется при медленном охлаждении больших масс чугуна в чугуновозных ковшах или миксерах.

Карбидный графит образуется при разложении карбидов в процессе термической обработки чугунов при большом переохлаждении металла и в отсутствии зародышей графита (из белого чугуна получают серый).

Существуют две политипические модификации графита – гексогональная и ромбоэдрическая.

В зависимости от формы включений различают свободный графит:

-пластинчатый (ПГ);

-вермикулярный или еще называют червеобразный (ВГ);

-хлопьевидный (ХГ);

-шаровидный (ШГ).

Форма свободного графита определяет основные типы чугунов:

-серый чугун (СЧ) –с пластинчатым графитом;

-чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ);

-ковкий чугун (КЧ)-с хлопьевидным графитом;

-высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ).

В 1985г учеными при лазерном испарении графита в струе гелия были обнаружены новые молекулы углерода (новая аллотропная модификация углерода - форма сходна с футбольным мячом), содержащие 60 и 70 атомов углерода, которые и были названы Бакминстером Фуллером фуллеренами.

Цементит – химическое соединение углерода с железом (карбид железа -Fe₃C). Назван Сорби так в связи с тем, что этот структурный элемент был характерен для цементованного слоя стали. Содержание углерода в цементите – 6,67…6,69% (мас.). Температура плавления –около 1550⁰С (в условиях нагрева лазерным лучом плавится при 1260⁰С). Аллотропических превращений цементит не испытывает, при температуре выше 210…217⁰С он теряет магнитные свойства (точка Кюри цементита 230⁰С). Цементит имеет высокую твердость (>НВ800), но очень низкую пластичность. Цементит является неустойчивым соединением и при определенных условиях (например, при нагреве) распадается с образованием свободного углерода в виде графита и аустенита (при температурах выше 1000⁰С) или графита и феррита (ниже эвтектоидной температуры при больших выдержках). В структурах сталей и чугунов различают:

-цементит первичный - выделяется из жидкости при охлаждении;

-вторичный цементит - выделяется из аустенита при охлаждении;

-третичный цементит - выделяется из феррита при охлаждении металла.

Атомы углерода в цементите могут заменяться неметаллами: азотом, кислородом, а атомы железа – металлами: марганцем, в неограниченном количестве; хромом –до 20%; молибденом –до 2%; вольфрамом –до 0,5%; ванадием –десятые доли процента и т.д. Карбиды цементитного типа с орторомбической решеткой (отвечающие составу (Fe,Me)₃C, где Ме - может быть хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий, тантал и др., которые растворяются в цементите), называются легированным цементитом. В технической литературе еще встречается понятие “цементита видманштеттова типа” - выделения углерода в виде скоплений ориентированных пластин (по типу видманштеттова феррита).

По данным Ю.Н. Тарана и В.И. Новика кристаллы цементита описываются как монолитное образование, представляющее собой систему плоскопараллельных слоев, состоящих в свою очередь, из блоков в форме прямоугольных брусков, разориентированных относительно друг друга на угол, равный 1…2 мин. Тонкая структура слоистого и блочного цементита может содержать дислокационные скопления и субзеренные границы. При этом плотность дислокаций в цементите существенно зависит от характера термической обработки и условий механического воздействия на него, что и предопределяет его микротвердость (Ткаченко Ф.К.).

Ледебурит (по имени немецкого металлурга Ледебура А.) – эвтектика (образуется из жидкого состояния) состоящая из аустенита и цементита, образующаяся при охлаждении ниже 1145⁰С для чистых Fe-С сплавов с содержанием углерода свыше 2,14% (правее точки Е на диаграмме Fe-С). Основная составляющая чугунов. Базовое соотношение этих структурных составляющих 50:50, инициирует зарождение ледебурита цементит. При переохлаждении сплавов с концентрацией углерода свыше 2,14% ниже температуры линии РSK структура ледебурита уже будет состоять из цементита и перлита.

К ледебуритным сталям относятся быстрорежущая, высокоуглеродистая легированная инструментальная стали типа Х12 (содержание углерода может быть до 2% и более).

Релаксация – процесс достижения термодинамического равновесия макроскопических частиц фаз (газа, жидкости, твердого тела). Релаксация- многоступенчатый процесс, так как не все физические параметры системы стремятся к равновесию с одинаковой скоростью. Все процессы релаксации неравновесны, сопровождаются уменьшением энергии (диссипацией). При изучении дисциплины понятие релаксации часто используется при процессах уменьшения напряжений в термообрабатываемых металлах и сплавах.

Коагуляция – рост более крупных частиц одной фазы при одновременном растворении мелких частиц той же фазы в металлах и шлаках при повышенных температурах. Осуществляется диффузионным переносом вещества через другую фазу. Коагуляция частиц вторичной фазы при старении или отпуске приводит к увеличению расстояний между ними, что сопровождается разупрочнением металла.

Коалесценция – слияние капель или пузырей при их соприкосновении внутри подвижной среды (жидкости, газе). Коалесценция – самоподвижный процесс, сопровождающийся уменьшением свободной энергии при укрупнении капель (пузырей) и обусловлена действием сил межмолекулярного притяжения. При изучении курса этот термин может использоваться при рассмотрении процессов, идущих в жидких металлах и сплавах. А также при описании порошковых материалов, имеющих поры и в которых происходит коалесценция пор (объединение). Возможно использование этого термина при описании субструктуры, когда коалесценция субзерен подразумевает слияние двух соседних субзерен в металлах путем исчезновения разделяющей их малоугловой границы.

При изучении дисциплины для правильного понимания сути процессов структурообразования при термомеханической или механико-термической обработки сталей (в соответствии с классификацией видов и подвидов комбинированных обработок по А.А. Бочвару) целесообразно также рассмотреть основные понятия и определения этих процессов. При этом следует понимать, что возможны варианты протекания процессов при нагреве (термообработке) предварительно холоднодеформированных металлов или при рассмотрении процесса структурообразования непосредственно в процессе горячей или теплой деформации металла, либо сразу после окончания такой деформации. В деформированном металле или сплаве протекают процессы, ведущие к уменьшению его энергии. При нагреве деформированного металла возможны следующие процессы (в порядке повышения энергии активизации):

- Возврат – это многостадийный процесс и включает в себя все элементарные процессы, происходящие в металле до начала рекристаллизации.

Под возвратом следует понимать процесс повышения структурного совершенства наклепанного металла путем перераспределения и уменьшения концентрации точечных дефектов, а также перераспределения и частичной аннигиляции дислокаций без образования новых границ (так называемый отдых) или с образованием и миграцией только малоугловых границ (так называемая полигонизация).

- Отдых – начальная стадия процесса возврата металлов при их низкотемпературном (до 0,05-0,2 Т плавления) нагреве после деформации или радиационном облучении и связанная с перераспределением и уменьшением концентрации точечных дефектов (межузельных атомов, вакансий) путем их аннигиляции и стока, а также процессы перераспределения дислокаций их консервативным движением без образования новых границ. Отдых сопровождается частичной релаксацией упругих напряжений и восстановлением ряда физических свойств (электросопротивления, плотности) после деформации и слабо влияет на механические свойства металла или сплава.

- Полигонизация – одна из стадий возврата, при которой идет перераспределение дислокаций (выстраивание в виде стенок), приводящее к образованию свободных от дислокаций и разделенных малоугловыми границами областей (субзерен) в моно- или поликристаллах. Малоугловые границы состоят из сеток, включающих винтовые и краевые дислокации, при сложном характере разориентировки соседних полигонов. Полигонизация протекает при нагреве до температур 0,25 - 0,35 Тпл. Полигонизацию затрудняет все, что тормозит диффузию вакансий, способствует уменьшению числа активных дислокационных ступенек и образованию облаков Котрелла и Сузуки вокруг дислокаций, уменьшению энергии дефектов упаковки и затруднению поперечного скольжения. Примеси (углерод, азот), образующие облака Котрелла на дислокациях, затрудняют их движение и тормозят полигонизацию.

Динамическая полигонизация – развивается непосредственно в процессе горячей деформации, отличается от статической тем, что одновременно с формированием субзерен, свободных от дислокаций, в теле субзерен повышается плотность дислокаций. Сохранение равноосности субзерен при больших степенях горячей деформации объясняется реполигонизацией - многократной повторной полигонизацией, состоящей в рассыпании субзеренных границ и новом их формировании.

Стабилизирующая полигонизация – полигонизация, при нагреве деформированного метала или сплава, сопровождающаяся аннигиляцией дислокаций противоположных знаков и образованием новых субзерен с устойчивыми малоугловыми границами; приводит к подавлению рекристаллизации при дальнейшем нагреве металла или сплава.

Рекристаллизация – процесс зарождения и (или) роста новых зерен в деформированном поликристаллическом металле или сплаве при нагреве за счет других зерен той же фазы, сопровождающийся уменьшением суммарной зернограничной энергии и повышением их структурного совершенства. Явление открыто в 1887г английским ученым Г. Сорби с помощью микроскопа.

Наиболее часто изображают графически процессы рекристаллизации в 3-х координатах – средняя величина зерна (D) от степени деформации (e,%) и температуры отжига или деформации (t,⁰С). При этом строят диаграммы двух типов – диаграммы рекристаллизации первого рода и второго рода. Диаграммы рекристаллизации для холоднодеформированного металла при рекристаллизационном отжиге называют диаграммами первого рода.

Для характеристики процесса рекристаллизации при горячей деформации используют диаграммы второго рода.

Возможно построение диаграмм третьего рода, в которых приводятся данные по величине зерна после горячей деформации (как в диаграммах второго рода) и дополнительно приводится кривая зависимости величины зерна от окончательного режима термообработки (например, закалки).

Рекристаллизация, которая происходит при нагреве после деформации металла, называется статической рекристаллизацией, в отличие от динамической, протекающей непосредственно во время горячей деформации. Общим признаком для всех случаев рекристаллизации является перемещение высокоугловых границ зерен. В результате рекристаллизации полностью устраняется состояние наклепа от пластической деформации и восстанавливается пластичность. Плотность дислокаций снижается от 10^10-12до 10^8-7 см^-2. После значительных степеней деформации в металле возможно образование текстуры. После рекристаллизации новые зерна приобретают также преимущественную кристаллографическую ориентировку, что приводит к формированию анизотропии (механических, электрических, магнитных) свойств.

Статическая рекристаллизация подразделяется на:

-первичную;

-собирательную;

-вторичную.

Первичная рекристаллизация – процесс формирования и роста в деформированном металле новых зерен с пониженной (по сравнению с матрицей) плотностью дефектов кристаллического строения. Термодинамическим стимулом первичной рекристаллизации является накопленная при пластической деформации энергия, связанная с дислокациями. Центры рекристаллизации могут появляться на границах деформированных зерен и внутри их. А период времени, в течение которого происходит формирование центров рекристаллизации, называется инкубационным. С повышением температуры он уменьшается.Первичная рекристаллизация – термически активируемый процесс- с повышением температуры процесс ускоряется

Собирательная рекристаллизация – процесс рекристаллизации, следующий сразу за первичной рекристаллизацией, заключающийся в нормальном росте одних рекристаллизованных зерен за счет соседних рекристаллизованных, осуществляемый миграцией высокоугловых границ.

Термодинамическим стимулом собирательной рекристаллизации является уменьшение зернограничной энергии, т.к. зеренная структура по окончании первичной рекристаллизации термодинамически неравновесна из-за большой суммарной поверхности рекристаллизованных зерен и неуравновешенности поверхностного натяжения на границах зерен неправильной формы. Границы зерен перемещаются так, что их конфигурация приближается к равновесной: границы стремятся спрямиться, а углы между гранями стремятся к 120⁰.

При этом наблюдается такая закономерность, что равновесными зернами в однофазном сплаве с практически изотропной зернограничной энергией и с прямыми границами могут быть только зерна с числом сторон в сечении шесть. У зерен с числом сторон меньше шести границы для образования в тройном стыке угла 120⁰, должны быть выпуклыми, а у зерен с числом сторон больше шести – вогнутыми.

Исследования показывают, что стыки более, чем трех границ, нестабильны.

При собирательной рекристаллизации размеры рекристаллизованных зерен более или менее однородны и их можно характеризовать средним размером диаметра зерна. Значительное укрупнение зерна в результате собирательной рекристаллизации происходит особенно часто после определенных степеней холодной деформации, которая называется критической степенью деформации и обычно для углеродистых сталей она составляет 5-10%. После критических степеней деформации идет быстрый рост одних исходных нерекристаллизованных зерен за счет поглощения соседних.

Вторичная рекристаллизация – после первичной рекристаллизации происходит аномальный рост отдельных зерен “поеданием” окружающих мелких зерен. Причины те же, что и при первичной рекристаллизации. Одна из причин сильного торможения роста большинства зерен - дисперсные частицы вторичной фазы (карбиды, карбонитриды, неметалические включения и т.д.) на их границах. При этом границы отдельных более крупных зерен могут быть менее заблокированы частицами вторичной фазы и они способны к избирательному росту. Такие зерна и являются центрами вторичной рекристаллизации.

В металле, который подвергается высокотемпературной (выше температуры рекристаллизации) деформации, протекают процессы динамической рекристаллизации.

Динамическая рекристаллизация – первичная рекристаллизация, происходящая непосредственно при горячей пластической деформации (точнее, сразу после ее окончания) металла или сплава (или во время последеформационных пауз). Отличается от статической рекристаллизации тем, что в появляющихся рекристаллизованных зернах во время их роста постепенно повышается плотность дислокаций из-за продолжающейся деформации металла (т.е. многократные обжатия) и создаются условия для зарождения новых рекристаллизованных зерен. Многократно чередующиеся циклы динамической рекристаллизации и повышение плотности дислокаций в рекристаллизованных зернах соответствует установившейся стадии горячей деформации с неизменным средним размером зерна. Динамическая рекристаллизация протекает тем быстрее, чем выше температура деформации. При температурах, значительно превышающих температурный порог рекристаллизации, она завершается в течение нескольких секунд или даже долей секунд.

Метадинамическая рекристаллизация – рекристаллизация, происходящая после горячей пластической деформации и заключающаяся в росте зародышей зерен, образовавшихся при динамической рекристаллизации. Отличается от обычной статической рекристаллизации отсутствием инкубационного периода из-за наличия готовых центров рекристаллизации и поэтому успевает полностью завершиться за короткий промежуток времени при охлаждении металла с температуры деформации.

Рекристаллизация на месте – процесс роста субзерен, образовавшихся при полигонизации металлов и сплавов в результате миграции их малоугловых границ в области с повышенной плотностью дефектов кристаллического строения. Малоугловая граница такого субзерна превращается в высокоугловую и субзерно становится центром рекристаллизации. Центры рекристаллизации могут также возникать в результате коалесценции (слияния) нескольких соседних субзерен.

Кинетика - учение о механизме и скоростях физических и химических процессов. Кинетика фазового превращения – характеристика процесса увеличения объемного количества новой фазы при определенной степени переохлаждения или перегрева; описывается кинетической кривой, зависящей от механизма и условий превращения.

Морфология – наука о форме и строении элементов структуры металлов и сплавов

Параметр – величина, характеризующая какое-либо основное свойство устройства, системы, процесса.

Режим – установленный порядок чего-нибудь (технологических операций).

Режим термической обработки металлов и сплавов – совокупность основных характеристик процессов нагрева, выдержки и охлаждения обрабатываемого изделия, обеспечивающих получение определенных структуры и свойств в термообрабатываемом металле.

Технология – совокупность производственных процессов в определенной отрасли производства, а также научное описание способов производства.

Технология термической обработки металлов и сплавов – совокупность знаний, приемов и способов обработки металлов, осуществление определенных операций в определенной последовательности, из которых складывается процесс термической обработки металлоизделий. Включает также и технический контроль производства.

Дата добавления: 2014-10-23