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

2. Зарождение на дислокациях

Вокруг дислокации существует поле упругих напряжений. Например, в случае краевой дислокации под краем неполной атомной плоскости находится область растяжения, а над этим краем — область сжатия. Поэтому структурное несоответствие за­ родыша и исходной фазы может быть частично или полностью скомпенсировано дислокацией, что служит одной из причин пред­ почтительного образования на дислокациях зародышей с полукогерентными и «екогерентными границами. При образовании та­ кого зародыша упругая энергия решетки исходной фазы в некото­ рой области вблизи линии дислокации уничтожается. Это значит что в формуле (25) слагаемое ДЕупр имеет минус: упругая энер­ гия дислокации способствует зарождению, суммируясь с движу­ щей силой превращения ДЕ0б. По одной из оценок, в результате этого скорость зарождения на дислокациях в 1078 раз больше ско­ рости гомогенного зарождения.

Другая причина предпочтительного зарождения на дислокаци­ ях — образование вдоль линий дислокаций атмосфер Коттрелла из атомов растворенного элемента. Если зародыш отличается от исходной фазы повышенным содержанием легирующего элемента, то естественно, что ему легче образоваться там, где уже имеется сегрегация этого элемента. Наконец, энергия активации диффузии вдоль краевых дислокаций примерно вдвое ниже, чем в объеме зерна вдали от дислокаций. Ускоренная диффузия по дислокаци­ онным «трубкам» облегчает диффузионный рост зародышей новой фазы, особенно при низких температурах, когда диффузия в объ­ еме зерна исходной фазы становится очень медленной.

3. Зарождение на дефектах упаковки

Дефект упаковки, например в гранецентрированной кубиче­ ской решетке, является прослойкой гексагональной плотноупакованной решетки, и наоборот. Если новая фаза имеет решетку то­ го же типа, что и дефект упаковки, то он может служить гото­ вым зародышем новой фазы. Так как растворимость легирующего элемента в общем случае должна быть разной в решетках разно­ го типа, то атомы перераспределяются между дефектом упаковки и остальной решеткой исходной фазы, образуя атмосферы Сузуки, которые способствуют зарождению фазы, отличающейся по соста­ ву от исходной. По этим двум причинам растянутые дислокации, в которых дефект упаковки связывает частичные дислокации, являются местами предпочтительного зарождения новой фазы.

4.Зарождение на включениях

Висходной фазе часто имеются включения окислов, карбидов, нитридов, интерметаллидов и других фаз. Включения могут об­ легчить зарождение новой фазы по той же причине, что и при ге­ терогенном зарождении в расплаве: работа образования критиче­

139

ского зародыша, уменьшается, если поверхностная энергия на границе зародыша с включением меньше, чем с материнской фа­ зой. Это более вероятно в том случае, когда решетка включения изоморфна решетке зародыша.

Включения могут ускорять зарождение не только непосредст­ венно, но и через образование дислокаций. Из-за разницы в тер­ мических коэффициентах расширения включений и матрицы при термической обработке вокруг включений могут возникнуть такие напряжения, что в материнской фазе генерируются дислокации, на которых может предпочтительно зарождаться новая фаза.

При затвердевании расплава образование центров кристалли­ зации на более тугоплавких включениях является основным меха­ низмом гетерогенного зарождения. При превращениях же в твер­ дом состоянии зарождение непосредственно на поверхности вклю­

5. Зарождение в микронесплошностях

На поверхности усадочных и газовых микропор, микротрещин и других несплошностей, возникающих по границам и внутри зерен при кристаллизации, пластической деформации и термичес­ кой обработке, а также на открытой поверхности изделия, зарож­ дение новой фазы может быть сильно облегчено, так как здесь отсутствует упругое сопротивление сплошной среды возникнове­ нию в ней кристаллов с другим удельным объемом. Эти места предпочтительного зарождения особенно эффективны, когда сла­ гаемое A-Fynp в формуле (25) велико. Примерами являются за­ рождение графита в микронесплошностях аустенита и превраще­ ние белого олова в серое, начинающееся с открытой поверхности образца.

* * *

Если новая фаза отличается от исходной по химическому со­ ставу, то росту ее зародышей на свободной поверхности способст­

ния по объему сплава при гетерогенном зарождении определяют­ ся числом и расположением мест предпочтительного зарождения. В отличие от гомогенного зарождения центры фазового превра­ щения при гетерогенном зарождении могут быть резко неод-

140

провести общую касательную, то точки касания (а и Ь) укажут составы равновесных фаз при данной температуре. В общем слу­ чае эти составы не отвечают точкам минимума на рассматривае­ мых кривых, так как условием гетерогенного равновесия в систе­ ме, состоящей более чем из одного компонента, является не дос­ тижение минимума свободной энергии каждой из фаз, а равенство

д Fa

=-- - р . Из этого вытекает, что в точках, соответствующих соста-

ОС/

общую касательную к кривым свободной энергии равновесных фаз.

изображается точками на прямой, связывающей значения свобод­ ной энергии равновесных фаз. Следовательно, любая точка на от­ резке ab, например Fi (рис. 77,6), указывает свободную энергию’ смеси равновесных фаз с составами в точках а и b (поверхностная энергия межфазных границ здесь не учитывается).

В последнем случае свободная энергия a-фазы больше, чем у сме­

142

образовываться p-фаза до тех пор, пока состав исходной фазы не достигнет равновесного (Са). Если же состав a-фазы расположен левее точки Са и в контакте с ней находится p-фаза, то последняя будет растворяться в a-фазе до тех пор, пока не будет достигнут равновесный состав Са.

Допустим, что в какой-то системе не только существует ста­ бильная фаза, но и возможно в определенных условиях образова­ ние метастабильных фаз р' и р", свободная энергия которых выше, чем у p-фазы (рис. 78). Метастабильная фаза р' отличается от стабильной только структурой, а фаза р" и структурой, и составом.

Встабильном равновесии с p-фазой находится a-фаза состава С„.

Вметастабильном равновесии с фазами р' и р" находится а-фаза составов С' и С" соответственно. Можно сделать общий вывод,

что растворимость метастабильной фазы в другой фазе всегда вы­ ше растворимости стабильной фазы.

В сплаве состава С0 свободная энергия смеси фаз а + р мень­ ше, чем у смесей фаз а + Р / или а+ Р " (F\ < F 2< . F 3) ■Отсюда мож­ но сделать вывод, что снижение свободной энергии (при образова­ нии стабильной фазы больше, чем при образовании метастабиль­ ной фазы (Fa—F i)> (F i—F2) и (Е4—F i) > ( / 74—F3). Однако этот анализ не учитывает роли поверхностной энергии (на рис. 78 пред­ ставлен график зависимости от состава объемной свободной энер­ гии). Вместе с тем, как показано в § 18, поверхностная энергия может играть решающую роль на первых этапах образования кристаллов новой фазы, когда велико отношение их поверхности к объему и соответственно велик вклад поверхностной энергии в общую свободную энергию кристалла.

Значения поверхностной энергии на границах a-фазы с фазами Р, р' и р" могут очень сильно различаться. Допустим, что кристал­ лическая решетка стабильной p-фазы резко отличается от решет­ ки исходной a-фазы и поэтому когерентная граница не может возникнуть. В то же время структура метастабильных фаз р' и Р" ближе к структуре исходной a-фазы и межфазные границы а/р' и а/p" могут быть когерентными или полукогерентными. Поверх­ ностная энергия на таких границах намного ниже, чем на некоге­ рентной границе а/p. В случае, когда граница а/р' или а/p" также некогерентна, поверхностная энергия на ней все же ниже, чем на границе а/p, так как кристаллы фаз а и р 7 (или р") могут грани­ чить по плоскостям с более близким строением, чем кристаллы а- и р-фаз.

Если выигрыш в поверхностной энергии существенно перекроем проигрыш в объемной свободной энергии, то тогда, согласно фор­ муле (25), работа образования критического зародыша АЕкр мета­ стабильной фазы будет ниже, чем у стабильной, и скорость зарож­ дения -метастабильной фазы в соответствии с выражением (24) бу­ дет выше. В случае когерентной или полукогерентной границ метастабильных фаз для уменьшения ДFKp выигрыш в поверхностной энергии должен также перекрывать возрастание упругой энергии, связанной с такими границами.

143