строение (557054), страница 15
Текст из файла (страница 15)
1"(оэтому в результате полиморфного превращения, особенно в условиях быстрого охлаждения, не обязательно возникновение полиэдрической структуры по рассмотренному выше механизму, а возможен сдвиговой механизм полиморфного превращения с образованием структур другого типа: образование видманштеттовой структуры в сталях, структуры мартенситного типа в результате полиморфизма в титане. Наличие полиморфных превращений в конструкционных материалах позволяет легированием и переохлаждением сплавов получать различные структуры с широким диапазоном свойств. Легирование и переохлаждение изменяет температурные интервалы существования полиморфных модификаций, создает в сплавах и сталях структуры, способные к упрочнению при термообработке определяет создание специальных легированных сталей, и наличие большой номенклатуры сплавов титана с резко отличающимися свойствами.
Упорядочение твердых растворов. Некоторые твердые растворы при низких температурах приобретают упорядоченную структуру, при которой атомы занимают определенные положения в кристаллической решетке, а прн температурах выше точки Н. С. Курнакова Ок (температуры перехода упорядоченного твердого раствора в неупорядоченное состояние) вследствие развития диффузионных процессов — неупорядоченную структуру. Структура упорядоченного твердого раствора называется также сверхструктурой и обычно соответствует определенному стехиометрическому соотношению атомов. На рис.
40 показано строение кристаллической решетки не- 77РС бб сс яв убрс бс 4С бс га Спйди б боди 0 га7С Рнс. 4Ь Сравнительный график значений твердости мартенситной и феррнто-цементитной структур стали в зависимости от содержания углерода Рис. 42. Объемноцентрнроваиная тетрагональная структура мартенснта Рис. 40. Кристаллическая решетка сплава меди с золотом: а — неупорядоченный твер дый раствор; б — упорядочеяный твердый раствор с саотиошеввем атомов сп,дп: е— упорядоченный твердый раствор с соотношением атомов Свдп упорядоченного и упорядоченного твердых растворов в системе Сц — Ап, с образованием сверхструктур состава СиАи и СцаАп.
Образование упорядоченных твердых растворов сопровождается изменением свойств, а именно: понижением электросопративления, повышением температурного коэффициента электросопротивления, повышением величины магнитного насыщения в ферромагнитных материалах, снижением пластичности. Эффект упорядочения наблюдается в р-латуни, сплавах Ре — Н1, ВН вЂ” Мп, Ре — А1 и др.
системах. Процессу упорядочения способствуют следующие условия: медленное охлаждение от высоких температур при термообработке (для реализации процессов диффузии) и достаточная растворимость компонентов, при которой возможно установление сверх- структурного стехиометрического соотношения атомов. Превращения мартенситного типа. Превращения этого типа носят сдвиговой харакер и происходят из-за коллективного сдвига атомов, а не путем зарождения н роста зерен новой фазы.
Наиболее изученным сдвиговым превращением в сплавах является образование мартенсита в стали и некоторых сплавах. Мартенсит стали представляет собой объемно-центрированную тетрагональную фазу железа, пересыщенную углеродом. На диаграмме Ве — С мартенсит отсутствует, поскольку его свободная энергия всегда выше представленных на диаграмме равновесных фаз с тем же содержанием углерода.
Мартенсит образуется при быстром охлаждении и высоких степенях переохлаждения стали из аустенита, имеющего г. ц. к. решетку, обладает высокой прочностью и твердостью, но пониженной пластичностью. Основным видом термообработки, при которой сталь приобретает структуру мартенсита, является закалка (рис. 41). На рис. 41 показаны области, соответствующие структурам сталей с определенным содержанием углерода, фазовым составом и значениям твердости (в единицах НВ и Н)гС).
Образование о. ц. к. решетки мартенсита (тетрагональной) происходит двухстадийным сдвиговым смещением атомов по плоскостям (111). В результате сдвига возникают напряжения, которые про- с йх 447 0,% ° с с'и тиводействуют дальнейшему протеканию превращения, и оно редко происходит до конца во всем объеме аустенитной структуры.
Кроме того, в результате бездиффуаионного превращения углерод, растворенный в г. ц. к. решетке аустенита, оказывается в межузлиях с координатами О, О, т/2 новой о. ц. к. структуры, которая по этой причине становится тетрагональной (с)а) (рис. 42). Эти факторы чрезвычайно затрудняют процесс скольжения при деформации, следствием чего и являются исключительно высокие твердость и прочность мартенсита.
Мартенсит является метастабильной фазой, поэтому в процессе последующего нагрева он распадается, образуя более стабильные фазы. Фазобые превращения с образованием зародышей новой фазы. При фазовых превращениях образующаяся фаза очень часто отличается по химическому составу от исходной фазы. В этом случае основным препятствием на пути фазовых превращений является необходимость образования зародыша новой фазы. Гомогенное зарождение новой фазы.
Для гомогенного образования зародыша критического размера необходимы энергетическая флуктуация и флуктуация концентрации в кристаллической решетке исходной фазы. Кроме того, образование зародыша новой фазы неизбежно вызывает образование фазовой границы (исключение составляют спинодальные реакции, которые кратко будут рассмотрены ниже). Поскольку атомы, находящиеся на фазовой границе, обладают более высокой энергией, чем атомы в объеме самой фазы, новые фазы не могут образовываться при достижении равновесной температуры или предельной растворимости, а требуют переохлаждения ниже равновесной точки. Прн этом возникает разность свободных энергий исходной и новой фаз вследствие уменьшения свободной энергии новой фазы. Возрастает также ве- гож т роятность приобретения необходимым числом атомов требуемой локальной флуктуации энергии.
В результате / возникает реакция обра/ зования новой фазы, ко/ / сгс/с г торая не могла начаться / при равновесной темпе- ратуре, и происходит д губ/б(г слбунсбго рнплй тем легче, чем выше стелс/гн/оуггуст/ пень переохлаждения. Однако слишком низкая температура затрудняет диффузионные атомные перемещения, и скорость образования зародышей снова снижается. Следовательно, кривая зависимости скорости образования зародышей новой фазы от температуры переохлаждения должна иметь максимум. На рис.
43 приведены зависимости коэффициента диффузии О и градиента концентрации йс(йХ, а также скорости роста зародышей от температуры. Гетерогенное заролсдение новой фазы. Термин гетерогенное зарождение распространяется на все случаи предпочтительного зарождения новой фазы на границах зерен и субзерен исходной фазы, на дисперсных включениях других фаз, на дислокациях, дефектах упаковки.
Представления о гетерогенном зарождении не противоречат классической флуктуационной теории, но учитывают, что вероятность энергетической и концентрационной флуктуации на перечисленных особенностях структуры значительно выше и работа образования критического зародыша значительно меньше. Размер частиц новой фазы и характер их распределения в объеме сплава при гетерогенном зарождении определяются числом и расположением мест предпочтительного зарождения.
Равномерное распределение новой фазы обычно имеет место при ее зарождении на дислокациях, включениях и дефектах упаковки, неравномерное — возможно при преимущественных пограничных выделениях. Это позволяет регулировать структуру сплава, получаемую в результате фазовых превращений, например, измельчением зерна исходной фазы или повышением плотности дислокаций в ней. Очень большую роль при фазовых превращениях играет строение образующейся межфазной границы. Возможно возникновение граництрех типов: когерентных, полукогерентных и некогерентных.
На когерентной границе решетка одной фазы плавно переходит в решетку другой фазы только за счет незначительного изгибания атомных плоскостей (рис. 44, а). В результате в граничной области возникает упругая деформация, которая называется также коге- 66 ! ) ! ( ! ( ! ! ! )) ! ! ! ! ! ! )-!"-л)- 1 ( 1 ! ~ ( ! ! ° гт-бмуа о ))-(ргяб а Рис. ((. Снемм строении ногереитноя (а) и полуногереитиоя (б) границ между фазами а н (3, а,„и иа — параметры решетни а- н асфаз, соотиетстиенно рентной.
Если компенсация несоответствия решеток двух фаз становится энергетически более выгодной частично за счет дислокаций (дислокацни несоответствия), то такая граница называется полукогерентной (рис. 44, б). При большой степени несоответствия решеток двух фаз количество дислокаций несоответствия резко возрастает.
В этом случае граница называется некогерентной, как и сами фазы, разделяемые втой границей. Примером некогерентной границы является высокоугловаяграница, полукогерентной — малоугловая. Принцип ориентационного и размерного соответствия более четко выражен при образовании когерентной фазы, но проявляется и при формировании некогерентной границы.
Именно характер формирующихся границ определяет тип формирующейся при фазовых превращениях структуры. Фазовыв превращения, сопровождающиеся диффузивй код(понеятов. Процессы диффузионного переноса вещества через матричный раствор определяют скорость и характер коагуляции выделившихся дисперсных фаз в гетерогенных структурах сплавов. Необходимо отметить также роль процессов диффузии в эвтектоидных распадах твердых растворов. Происходит распад исходного твердого раствора на две фазы разного кристаллического строения и разного состава и во многом лимитируется диффузионными процессами. Причиной эвтектоидных превращений в твердых растворах является полиморфизм исходной фазы (твердого раствора). Примером является распад аустенита стали на феррито-цементитные структуры.
При распаде аустенита (0,8 % С) на феррит (0,025 % С) и цементит (6,67 % С) процесс контролируется диффузионным перераспределением углерода и образующаяся пластинчатая структура (перлит) имеет толщину пластин феррита и цементита, зависящую от диффузионного «пути» углерода. Характер образующихся структур сплавов в результате фазовых превращений в сильной степени зависит от температурных условий протекания превращений. Изотермические условия и условия непрерывного охлаждения сплавов приводят к существенным различиям в конечной структуре и свойствах сплавов. Спияодальный распад. При особых состояниях твердого раствора разделение фаз может происходить без образования зародышей новой фазы, а только в результате диффузионного расслоения.
~ и и Рнс, 4К Изменение свооодиод инертна твердив растворов в зависимости от хоидентраинн прн спииондальиом распаде Такое разделение фаз (распад твердого 1 раствора) называется спинодальным и может быть объяснен путем рассмот- -Ф вЂ” -о рения кривой зависимости свободной и энергии от состава, показанной на рис. 4б. На участке раствора Х, — Х, с положительным отклонением в значении свободной энергии, концентрация Хс соответствует максимальному значению л,еА свободной энергии Р . Энергия г' может понизиться до значения г " и ниже в результате диффузионного расслоения, как показано на рисунке стрелками. Необходимым условием является диффузия атомов. На начальных стадиях расслоения, когда происходит образование сегрегатов (кластеров), нет необходимости в возникновении фазовой границы, поскольку структура представляет собой единую непрерывную фазу с флуктуациями состава.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
