Файл: Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник.pdf

Р а з д е л в т о р о й

ОТЖИГ ВТОРОГО РОДА

При отжиге 2-го рода в металле или сплаве происходят качест­ венные или количественные изменения фазового состава при на­ гревании и обратные изменения при охлаждении.

Принципиальную возможность применения к сплаву отжига 2-го рода можно установить по диаграмме состояния. В твердом состоянии протекают разнообразные фазовые превращения: поли­ морфное (рис. 68,а), эвтектоидное (рис. 68, б, в), перитектоидное (рис. 68, г), растворение одной фазы в другой при нагревании и обратное выделение при охлаждении (рис. 68, <3) и др.

Отжиг 2-го рода можно проводить с полным изменением фазо­ вого состава, когда фазы, существовавшие при комнатной темпе­ ратуре, исчезают при нагревании, а фазы, стабильные при повы­ шенной температуре, исчезают при охлаждении. Для этого металл или сплав следует нагреть выше критической точки, например сплавы Х\ нагревают до температуры t\ выше точки ^о- Если спла­

Если изменение фазового состава связано только с переменной растворимостью ‘компонентов в твердом состоянии (сплав Х2 на рис. 68,(3), то при термообработке вообще невозможна полная фа­ зовая перекристаллизация, так как основная фаза а, в которой растворяется избыточная фаза р, стабильна и при низких, и при высоких температурах. В сплавах этого типа при нагревании и ох­ лаждении изменяется только количественное соотношение фаз (включая полное исчезновение одной из них при нагревании выше to ) . Неполное изменение фазового состава при отжиге происходит и в сплаве Х3 (рис. 68,а), так как в нем высокотемпературная фаза стабильна при комнатной температуре.

Отжиг 2-го рода принципиально применим к любым металлам и сплавам, в которых в зависимости от температуры в твердом состоянии качественно или количественно изменяется фазсзый состав. Практическая целесообразность отжига 2-го рода опреде­ ляется тем, насколько сильно структурные изменения влияют на свойства металла или сплава.

Основные параметры отжига 2-го рода: температура нагрева, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения. Температура нагрева и время выдержки должны обеспечить необ­ ходимые структурные изменения, например полное растворение из­ быточной фазы. Скорость охлаждения должна быть достаточно мала, чтобы при понижении температуры успели пройти обратные

120

\

в

Рис. 68. Системы с различными фазовыми превращениями в твердом состоянии

фазовые превращения, в основе которых лежит диффузия (или самодиффузия). Обычно при отжиге изделия охлаждают вместе с

печью или на воздухе вне печи.

Так как отжиг 2-го рода основан на использовании фазовых превращений в твердом состоянии, то вначале рассмотрим общие закономерности таких превращений. Они необходимы и для ана­ лиза других видов термической обработки.

121

Г л а в а IV

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

ВТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ

§18. ТЕРМОДИНАМИКА ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

Как известно, при постоянных температуре и объеме все само­ произвольные процессы в системе идут в сторону уменьшения сво­ бодной энергии. Равновесное состояние характеризуется минималь­ ным значением свободной энергии. Свободная энергия (или изо- хорно-изотермный потенциал), являющаяся характеристической функцией системы, определяется следующим соотношением:

где U — внутренняя энергия;

S— энтропия;

Т— абсолютная температура.

Вметаллических сплавах фазовые превращения в твердом сос­ тоянии сопровождаются относительно небольшими изменениями объема. Пренебрегая этими малыми объемными изменениями, можно использовать свободную энергию для анализа закономер­ ностей фазовой перекристаллизации.

Свободная энергия любой фазы зависит от температуры. Чтобы установить характер этой зависимости, возьмем первую и вторую производные от F по Т.

Полный дифференциал

d F = dU — T d S — S d T .

Обобщенное уравнение первого и второго законов термодинамики для обра­

122

показывающие зависимость свободной энергии от температуры, должны быть всегда обращены вогнутостью к оси температур, а не наоборот, как их часто на­

температуре равновесия жидкой и твердой фаз, а при более низ­ ких температурах. То же самое относится и к превращениям в твердом состоянии. Температура превращения при охлаждении ле­ жит ниже, чем температура обратного фазового превращения при нагревании. Это явление называется тепловым гистерезисом прев­ ращения. Например, белое олово превращается в серое только при сильных морозах, хотя температура равновесия белой и серой мо­ дификаций равна +13°€. Разность между температурой устойчи­ вого равновесия двух фаз (Го) и фактической температурой прев­ ращения при охлаждении называется степенью переохлаждения

(ЛГ)-

Степень переохлаждения растет с увеличением скорости ох­ лаждения. Следовательно, переохлаждение связано с какими-то затруднениями в фазовом превращении.

Основоположник научного металловедения Д. К. Чернов во второй половине прошлого столетия отметил, что процесс затверде­ вания стали состоит из двух стадий: образования центров кристал­

(л. с. р.). Тамман переохлаждал прозрачные органические жидко­ сти до различных температур и определял при разных переохлаж-

123

дениях скорость зарождения центров и линейную скорость роста кристаллов. Было установлено, что эти характеристики зависят от степени переохлаждения. При температуре равновесия жидкой и твердой фаз с. з. ц. и л. с. р. равны нулю ‘. С увеличением пере­ охлаждения обе характеристики растут, достигают максимума и при больших переохлаждениях падают до нуля. Графики зависи­ мости скорости зарождения центров кристаллизации и линейной скорости роста кристаллов от переохлаждения называют кривыми Таммана.

Л.С.Р.

723 623 523 Р23 323

ния в стали с 0,8% С (по И. Л. Миркину)

Позднее было установлено, что кристаллизационные процессы образования фаз в твердом состоянии подчиняются тем же об­ щим закономерностям, что и процессы кристаллизации жидкости. На рис. 70 и 71 показаны кривые Таммана для полиморфного превращения олова и эвтектоидного распада в стали.

Зависимости, полученные экспериментально, можно объяснить, , используя представления термодинамики и статистической физики.

На первый взгляд кажется, что зародышем кристаллизации мо­ жет явиться сколь угодно малая совокупность атомов, например одна элементарная ячейка новой фазы, которая растет вследствие постепенного присоединения атомов из материнской фазы. Более подробный анализ показывает, что это не так.

Рассмотрим изотермический процесс кристаллизации a -фазы в материнской p-фазе при некоторой температуре Тi ниже темпера­ туры То (см. рис. 69).

1 Так как кристаллы при нагревании практически не перегреваются выше точки плавления, то за температуру равновесия жидкой и твердой фаз обычно принимают температуру плавления.

124