Классификация превращений на основе процессов роста

 

Переохлаждение допустимо в пределах нескольких градусов. При охлаждении же твёрдого раствора железа в меди выделяются небольшие частицы g- и a-железа. Термодинамически нестабильные g-частицы постепенно растворяются, подпитывая a-частицы. Этот процесс не протекает спонтанно даже при охлаждении до –196^оС. Его особенности связывают с когерентностью границ раздела у малых выделений.

Упорядочение. Под упорядочением понимают стремление разнородных атомов занять определённые места в кристаллической решётке. Из термодинамики следует, что упорядоченное состояние характеризуется более низкой внутренней энергией при относительно низких температурах, когда энтропия, связанная с беспорядком, играет менее важную роль.

Упорядочение может быть ближним, когда предпочтительное распределение атомов одного элемента по отношению атомов другого элемента наблюдается в ближайшем окружении или ближайших координационных сферах. При дальнем упорядочении такое предпочтительное распределение наблюдается на любом удалении от того или иного атома. При этом говорят о наличии сверхструкруры.

В большинстве сплавов образование сверхструктур является переходом первого рода и происходит путём образования и роста зародышей. Однако различие скоростей упорядочения у ряда сплавов при сопоставимых температурах привело к заключению о возможности и перехода второго рода. Такой переход в b-латуни происходит настолько быстро, что его скорость протекания нельзя измерить. В то же время для образования сверхструктур Cu₃Au и Ni₃Mn требуется несколько часов или недели соответственно. Переход в b-латуни и образование ближнего порядка в сплавах происходят гомогенно с одновременным обменом атомов по всей решётке. При переходе первого рода вырастающие в кристалле зародыши при соприкосновении могут не «совпадать по фазе», образую структуру антифазных доменов. Там, где такая структура образуется, время упорядочения увеличивается.

Упорядочение атомов разного сорта приводит к изменению свойств сплава. Даже ближнее упорядочение в сплаве может не только заметным образом отразиться на его поведении, но в определённых условиях привести к практически важным последствиям. Известен эффект направленного ближнего упорядочения в магнитомягких материалах. Эффект образуется при термообработке в магнитном поле определённой ориентации. В направлении приложения поля резко увеличивается магнитная проницаемость, а петля гистерезиса становится прямоугольной.

Выделения из пересыщенного твердого раствора. Процесс выделения типа «пересыщенный a-твёрдый раствор ® a+b» обычно наблюдается при быстром охлаждении сплава с температуры существования равновесной a-фазы до температуры, при которой она уже является пересыщенной и находится в метастабильном состоянии.

Переход в стабильное состояние может быть разным с образованием непрерывных, прерывистых и низкотемпературных выделений. При непрерывном выделении процесс происходит одновременно во всей системе с зарождением изолированных кристаллов b-фазы, которые растут, пока в a-растворе есть избыток растворённых атомов. При прерывистом выделении кристалл разбивается на области. Одни образуют ячейки с равновесным a+b-состоянием, в других сохраняется пересыщенная a-фаза.

Низкотемпературные выделения связаны с явлениями предвыделения и дисперсионного твердения. Они сопровождаются образованием так называемых зон Гинье-Престона (кластеров), а не видимых с помощью металлографии и рентгенографии выделений. Как правило, такие зоны образуются при небольшом различии размеров разных атомов и при большом пересыщении и обнаруживают себя в изменении свойств сплава, прежде всего, в упрочнении и увеличении твёрдости (дисперсионное твердение). При нагреве кластеры могут образовывать мелкие видимые выделения. При этом происходит снижение прочности и твёрдости (явления возврата и старения).

Все перечисленные типы выделений широко используются для получения материалов с нужными свойствами.

Мартенситные превращения. Мартенсит – форма структуры с высокой твёрдостью – возникает во многих быстро охлаждаемых сталях, чистых металлах и сплавах в процессе особого класса превращений в твёрдом состоянии. Он отделён от остального объёма плоской границей или образует чечевицеобразное тело (в монокристаллах).

Упругая энергия выделений мартенсита столь велика, что термодинамическая движущаяся сила может преодолеть её только при сильном переохлаждении. Зачастую между граничной температурой существования высокотемпературной фазы и температурой образования мартенсита существуют другие равновесные формы. В этом случае для обеспечения мартенситного превращения потребуется закалка с высокой скоростью. Если движущая сила недостаточна для спонтанного превращения или даже имеет противоположный знак, мартенсит можно иногда получить приложением внешних напряжений. При этом структурные изменения напоминают деформацию, подобную механическому двойникованию. Форма таких двойников схожа с формой мартенситных пластин.

Возможны разные пути образования зародышей мартенсита: классическое зарождение за счёт термических флуктуаций; «замораживание» флуктуаций состава, являющихся докритическими при высоких температурах и закритическими после закалки до низких температур; атермически активируемое распределение дефектов, приводящее к конфигурациям, близким к мартенситу.

Рост мартенситной фазы происходит бездиффузионно с сохранением прежнего состава растворённых атомов, а следовательно, в пересыщенном, метастабильном состоянии, отсутствующем на равновесных диаграммах состояния. Поверхность раздела фаз когерентна или полукогерентна. Механизм превращения носит сдвиговый характер, возникающие напряжения определяют кинетику процесса, а перемещения атомов не превышают их размера. Несмотря на это макроскопические изменения размеров легко обнаруживаются, а искажения решётки таковы, что меняется её симметрия (к примеру, переход из кубической в тетрагональную). Скорости роста мартенсита чрезвычайно велики (более 10⁵ см/с). Поэтому его полное подавление нельзя обеспечить даже при самых больших скоростях закалки. Однако превращение имеет свою специфику, как правило, не идёт до конца и сохраняется некоторое количество исходной фазы.

Существует определённый интервал температур, где происходит мартенситное превращение. Характерные температурные точки зависят от состава сплава. Внешние упругие напряжения повышают температуру образования мартенсита.

Рекристаллизационные процессы. Такое название объединяет ряд отдельных последовательных процессов, протекающих при нагреве деформированного материала. Пластическая деформация приводит материал в метастабильное состояние, перевод которого в стабильное происходит путём возврата (отдыха), полигонизации и двухстадийной рекристаллизации.

Возврат происходит при небольших температурах (300-400^оС у железа) и состоит в снижении напряжений в результате аннигиляции дислокаций, отжига вакансий и укрупнения дислокационных блоков. В результате увеличивается пластичность и снижается прочность и твёрдость. Возврат может быть сопряжён с полигонизацией, при которой создаётся ячеистая структура с границами в виде дислокационных стенок.

Рекристаллизация состоит в образовании новых зёрен и протекает при более высокой температуре. Между минимальной температурой Т_рек рекристализации и температурой Т_м плавления имеется простая связь: Т_рек = a Т_м (температуры в К), причём коэффициент a зависит от чистоты металла. Чем выше чистота, тем ниже Т_рек. У металлов технической чистоты a = 0,3-0,4, у сплавов a в некоторых случаях достигает 0,8. С ростом степени деформирования Т_рек снижается.

После первой стадии рекристаллизации свойства материалов приближаются к таким же, как до деформирования. Однако при этом происходит измельчение зёрен. Их рост происходит самопроизвольно на второй (собирательной) стадии при несколько более высокой температуре. Механизмы роста – зародышевый, миграционный (перемещение границ зерна) и путём слияния зёрен с растворением границ между ними (при более низких температурах). Разнозёренная структура имеет место при незавершённой рекристаллизации.

Рекристаллизационный отжиг применяется на различных стадиях обработки материала давлением. Если температура обработки выше температуры кристаллизации, то упрочнение (наклёп) снимается сам по себе после снятия давления.

 

Радиационное воздействие