Гомогенное и гетерогенное зарождение фаз

Вторичная рекристаллизация.

Зерна, растущие с большой скоростью, можно условно рассматривать как зародышевые центры, и поэтому процесс их роста получил название вторичной рекристаллизации. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое число очень крупных зерен. Вторичная рекристаллизация, вероятно, вызывается благоприятной для роста кристаллографической ориентацией отдельных зерен, меньшей чем у других зерен концентрацией дефектов (величиной объемной энергии) и более высокой подвижностью границ в результате неравномерного выде­ления примесей. Вторичная рекристаллизация, вызывающая образование крупного зерна и разнозернистости, способствует снижению механических свойств металлов.

Вторичная рекристаллизация - процесс предпочтительного роста неко­торых зерен с равной объемной энергией за счет зерен той же фазы, прак­тически не увеличивающихся в размерах, осуществляется миграцией гра­ниц, стимулируемой выигрышем в зернограннчной или поверхностном энергии

Выигрыш в зернограничной энергии - движущая сила процесса в том случае, когда центры рекристаллизации обладают заметным преимущест­вом в размерах по сравнению с окружающими зернами.

Выигрыш в поверхностной энергии - движущая сила процесса в тонких образцах, когда поверхностная энергия центров вторичной рекристаллиза­ции (поверхностная энергия кристаллографических плоскостей, параллель­ных поверхности образца) заметно меньше поверхностной энергии зерен другой ориентировки.

В общем случае наименьшей поверхностной энергией обладают атом­ные плоскости с максимальными межплоскостными расстояниями: [110} для о. ц. к.; {111} для г. ц. к.; (0001} — для г. к.

Адсорбция, связанная со средой отжига или другими причинами, может привести к тому, что минимумом поверхностной энергии будут обладать не указанные выше, но другие плоскости.

Гомогенное зарождение - новая фаза зарождается в материнской старой фазе только за счет энергетической и концентрационной флуктуации.

Если фаза чистая, то внутри нее происходит такое зарождение за счет случайного перемещения атомов.

Гетерогенное зарождение - новая фаза зарождается на имеющихся по­верхностях раздела материнской фазы с другими фазами (включения, стен­ки).

В твердом состоянии условие для предпочтительного образования но­вой фазы на границах раздела очень благоприятно, поскольку в матрице существует множество объемов с повышенной свободной энергией, а вели­чина образования зародыша критического размера или вероятность повы­шается в этих областях, где повышенный уровень свободной энергии:

1) границы зерен (высокоугловые границы) и блоков (малоугловые гра­
ницы).

2) Включения (карбиды, оксиды, нитриды).

3)Дефекты кристаллического строения (дислокации, дефекты упаков­
ки).

3. Диагональная, ребровая и кубическая текстуры прокатки ОЦК - металлов.

Анализ текстуры катаного и волоченого железа показывает, что под уг­лом 45^е к направлению вытяжки (т. с. в зоне действия наибольших каса­тельных напряжений) располагается плоскость (100). По этой плоскости происходит интенсивное упрочнение в процессе деформации, и когда эта плоскость вновь совпадает с поверхностью максимальных касательных напряжений при растяжении, наблюдается значительное сопротивление пластической деформации. При кручении поверхность максимальных каса­тельных напряжений α-железа не совпадает с поверхностью максималь­ных касательных напряжений при его деформации при текстурообразова-нии, поэтому в плоскости (110) сопротивление пластической деформации меньше, чем при растяжении.

Многочисленные работы по изучению текстур холоднодсформирован­ного железа и стали позволили определить их характерные особенности. Текстура главным образом описывается направлениями [110] зерен, лежа­щими вдоль направления прокатки с отклонением от него на несколько градусов, и плоскостями (001). находящимися в плоскости прокатанного листа с отклонениями от этого положения около направления прокатки, как около оси. Отклонение предполагает поворот ориентировок от положения (001) [110] на различные углы вплоть до 45 или 65° и зависит от степени обжатия. Отклонение около направления, поперечного направлению про­катки, изменяется в зависимости от различных условий, уменьшаясь с уве­личением степени обжатия. В поверхностных слоях отклонение уменьшает­ся с увеличением диаметра прокатных валков.

Некоторые из ориентировок были описаны Курдюмовым и Заксом с помощью идеальных ориентировок (1 12) [1 10] и (111) [112]. Стали с повы­шенным содержанием углерода обычно имеют менее резко выраженные текстуры.

Когда повороты отдельных зерен происходят в ходе деформации по схеме прокатки, некоторые кристаллы сохраняют относительно отчетливую единственную ориентировку, другие неоднородно поворачиваются в поло­жение с двумя или более ориентировками.

Текстуры поперечной прокатки отличаются от текстур обычной про­качки. Если степени обжатия в двух взаимно перпендикулярных направле­ниях равны, то текстура поперечной прокатки о.ц.к. металлов приблизи­тельно представляет наложение двух полюсных фигур для прокатки в этих двух направлениях.

4. Диффузионное превращение аустенита при охлаждении.

Он проходит в две стадии:1) Перлитное превращение до 450-500ºС 2)промежуточное превращение (бейнитное) до 220ºС. Перлитное превращение идет в две ступени 1)образование зарод. цементита и их рост;2)полиморфное превращение.Считается, что ведущим процессом явл.образование Ц., за счет восходящей диффуз.углерода из однородного тв.рас-ра, содерж.0,8%С;зародыши Ц. сод. 6,67%С. В тех обл. А., гдесод. Углерода пониж., немедленно происх.перестройка реш.ГЦК в ОЦК, т.е.обр. Ф. и ост-ти углерода «выдавл» к кристаллам Ц. А_S→Ф_р+Ц_К.Рост зерна Ц. образует рядом с собой безуглородистые обл. и обр. Ф. Понижение тем-ры привод. К ускорению процессо. Крист.станов. тоньше и расстояние между ними тоньше.

В интервале температур от А₁. до 550 - 500 °С при охлаждении проис­ходит превращение аустенита в эвтектоидную смесь кристаллов α -фазы (феррита) и цементита или специальных карбидов; формируется перлит. При перлитном превращении диффузионное перераспределение углерода и легирующих элементов протекает наряду с переходом атомов растворителя (железа) из кристаллической решетки γ в решетку а.

Эвтектоидное, перлитное превращение может развиваться с образова­нием различных углеродсодержащих фаз. При весьма малом переохлажде­нии возможен распад аустенита на стабильные фазы - феррит и графит. Однако образование графита затруднено тем, что для этого необходимы весьма большие флуктуации концентрации углерода и отвод относительно малоподвижных атомов железа. Поэтому в сталях доэвтектоидного и эвтек-тоидного составов выделение графита становится практически невозмож­ным и распад аустенита происходит с образованием смеси феррита и кар­бидов (перлита). Такое превращение происходит с достижением относи­тельного минимума свободной энергии (по сравнению с образованием сме­си феррита и графита), но кинетически оно более выгодно и осуществляется с большей скоростью.

Морфология перлита.

В углеродистых сталях при переохлаждении аустенита ниже А₁ возни­кают колонии перлита. Пластины цементита растут в продольном и боко­вом направлениях. Понижение содержания углерода в близлежащих объе­мах аустенита и увеличение этих объемов по мере роста пластин приводят к возникновению зародышей феррита. Пластины феррита также растут в. продольном и боковом направлениях; повышение содержания углерода в смежных участках аустенита вызывает образование цементитных пластин, параллельных первой, - образуется перлитная колония. При изменении ориентации цементитной или ферритной пластины вследствие влияния на процесс роста, например, дефектов структуры начинается образование новой перлитной колонии. С увеличением переохлаждения число перлит­ных колоний в зерне аустенита увеличивается, а размеры колонии умень­шаются.

5. Изменение структуры и свойств сплавов при обработке давлени­ем, текстуры деформации в ОЦК, ГЦК и ГП - металлах.

при обработке давлением происходит во первых изменение формы и размера зерен, а во-вторых изменяется внутреннее строение зерен, повышается плотность дислокаций и вакансий. Происходит образование текстуры деформации, когда определенные кристаллографтческие плоскости, в первую очередь более упакованные и направленные распологаются параллельно плоскости прокатки. Текстуры деформации:

ОЦК (сплав железа вольфр. ниобия) прокатка-(100) <110>-диагональная; -(110) <100>-ребровая; -(100) <100>-кубическая Волочение-<110>

ГЦК (медь, никель, аллюм)-прокатка -(110) <112>-текстура типа латуни; -(112) <111>-текстура меди; волочение-<111><110>

ГП (спл меди цинка титана) Прокатка -(0001) <11 2 0>; волочение <10 1 0>

При прокатке стали различные структурные составляющие, например участки занятые ферритом и перлитом, вытягиваются в направлении про­катки, и структура резко меняется. Получаются полосы (строки) перлита и феррита вытянутые в направлении деформации. Такая структура называет­ся полосчатой или строчной.

Прочность и вязкость изделий из лигой стали, во всех направлениях более или менее одинакова, а после прокатки механические свойства стали вдоль прокатки становятся значительно выше, чем поперек. Причем по пределу текучести и прочности м/у образцами, вырезанными из заготовок или готовых изделий вдоль и поперек прокатки, большой разницы не на­блюдается, но удлинение, сужение и ударная вязкость на поперечных об­разцах всегда получаются значительно ниже, чем на продольных.

Для получения высокопрочных стальных деталей их изготовляют так. что бы волокна стали описывали конфигурацию изделия и что бы в ответ­ственных местах деталь испытывала напряжение вдоль, а не поперек воло­кон. Горячую и холодную механическую обработку деталей следует прово­дить так, чтобы наиболее плотный и прочный поверхностный слой слитка был сохранен, а средняя рыхлая ликвационная часть слитка располагалась бы в наименее ответственных, не напряженных местах

6. Кристаллогеометрические соотношения при мартенситном пре­вращении: Бейна, Курдюмова-Закса, Нишиямы, Гренингера-Трояна.

Ориентационные соотношения между решетками аустенита и мартен­сита.

Большая скорость мартенситного превращения аустенита при низких температурах, аналогия в образовании кристаллов мартенсита с образова­нием двойников деформации, экспериментальные данные о кристалличе­ской структуре мартенсита привели к представлению о превращении как-закономерной, быстро протекающей («скачкообразной») перестройке ре­шетки γи αс сохранением углерода в твердом растворе (бездиффузион­ное превращение).

Механизм перестройки решетки γ-железа в решетку α-железа был предложен Э. Бейном в 1924 г. Он получил впоследствии название дефор­мации Бейна и заключается в сжатии / -гранецентрированной решетки по оси [001]γ и растяжении по осям <110 > γ. Экспериментальное определе­ние ориентировки мартенсита по отношению к осям монокристалла аусте­нита (ориентационные соотношения Курдюмова-Закса) позволило предло­жить другую схему перестройки путем двух сдвигов, полностью удовлетво­ряющую найденной ориентировке.

Наличие пятен (022) мартенсита рядом с пятнами (222) аустенита по­зволило заключить: решетка мартенсита ориентирована по отношению к решетке аустенита так, что плоскость (011)α параллельна плоскости (111)γ

Анализ геометрии превращения решеток γ- и α-железа показал, что сдвиг по плоскости (111)γ в направлении [211]γ на 1/6 периода трансля­ции решетки в этом направлении с изменением угла между плотноупако-ванными рядами атомов железа от 120 до 109° переводит г. ц. к. решетку в о. ц. к. Плоскость (111)γ аустенита становится тогда плоскостью (011)α, при этом сохраняется параллельность обеих плоскостей.

Полное определение ориентировки решетки мартенсита привело к ус­тановлению соотношения Курдюмова-Закса: (011)α//(111)γ; [111]α//(101)γ

Для сплавов железа с 27 и 34 % Ni было установлено ориентациейное соотношение Нишиямы: (011)α//(111)γ; [111]α//(211)γ

Соотношение Курдюмова-Закса может быть достигнуто 24 положения­ми решетки мартенсита в одном кристалле аустенита; соотношению Ни­шиямы отвечают 12 эквивалентных вариантов ориентировки мартенситных кристаллов.относительно исходного аустенитного зерна.

Ориентационное соотношение Курдюмова-Закса имеет простой физи­ческий смысл: параллельность наиболее плотно упакованных плоскостей и направлений в двух решетках, что особенно важно в условиях низкотемпе­ратурного сдвигового процесса.

Дата добавления: 2015-04-24