Файл: Хачатурян, А. Г. Теория фазовых превращений и структура твердых растворов.pdf

превращения. Мартенсит, как известно, образуется при бездиффузионном у — а превращении. В результате превращения мар­ тенсит наследует взаимное расположение атомов углерода в у- железе (аустените). Так как деформационное взаимодействие углерода в аустените существенно меньше, чем в мартенсите, то в первом приближении можно полагать, что в аустените отсутст­ вовала корреляция (ближний порядок) во взаимном расположении атомов углерода. В этой ситуации приближение самосогласован­ ного поля, не учитывающее корреляцию в расположении атомов, становится приемлемым. Им можно пользоваться вплоть до появ­ ления заметных корреляционных эффектов, которые возникают существенно медленнее, чем дальний порядок. В самом деле, дальний порядок может быть достигнут за счет диффузионных пе­ реходов атомов углерода между ближайшими междоузлиями, принадлежащими к различным октаэдрическим подрешеткам Напротив, для установления ближнего порядка необходима диффузия атомов углерода на расстояния, имеющие порядок корреляционной длины, т. е. на несколько межатомных рассто­ яний х).

Таким образом, в свежезакаленном мартенсите, в котором ближний порядок отсутствует, фазовый переход порядок — бес­ порядок протекает в соответствии с теорией самосогласованного поля, а температура фазового перехода описывается формулой (42.12). Поэтому при комнатной температуре фазовый переход будет происходить вблизи критического состава

рс — 0,5 вес. % С.

Он может наблюдаться по обратимому изменению степени тетратональности вплоть до установления равновесного ближнего порядка, когда изложенная выше теория становится непримени­ мой. Для того чтобы наблюдать фазовый переход порядок — бес­ порядок рентгеновским методом, по-видимому, необходимо, что­ бы температура мартенситного превращения была существенно ниже, чем температуры, при которых становится заметной диф­ фузия атомов углерода (£м < — 60 °С), а состав был бы меньше, чем критический состав рс ~ 0,5 вес. % С. При этом упорядоче­ ние углерода может наблюдаться при отогреве свежезакаленного мартенсита до комнатных температур в течение промежутка вре­ мени, недостаточного для образования ближнего порядка.

Всюду в дальнейшем при рассмотрении процессов перераспре­ деления атомов углерода в мартенсите мы будем использовать приближение самосогласованного поля, справедливое для свеже­ закаленного состояния, в котором отсутствуют корреляционные эффекты.

!) в обычных твердых растворах замещения дело обстоит противополож­ ным образом. Дальний порядок образуется медленнее, чем ближний, так как первый формируется за счет развития второго.

352

§ 43. Влияние морфологии мартенситного кристалла на процессы упорядочения примеси внедрения

В предыдущем параграфе рассматривались процессы упоря­ дочения углерода в изолированных мартенситных кристаллах, свободных от внутренних напряжений. В реальных случаях, как правило, имеет место несколько иная ситуация, при которой кри­ сталл мартенсита заключен в матрицу остаточного аустенита. Су­ ществующие в настоящее время морфологические теории Векс­ лера — Либермана — Рида 1222], Боулса — Маккензи [223] и Ройтбурда [154, 224] исходят из предположения, что морфология мартенситных кристаллов определяется из условия минимума энергии внутренних напряжений. Это предположение, безуслов­ но, отвечает физической реальности, так как вытекающие из него следствия находятся в хорошем количественном согласии с дан­ ными эксперимента (см. обзор [262]). Таким образом, можно по­ лагать, что свежезакаленный мартенсит обладает минимальной упругой энергией.

Так как, в силу кристаллогеометрии мартенситного превраще­ ния, свежезакаленный мартенсит находится в полностью упоря­ доченном состоянии (т] = 1), то мы приходим к выводу, что пол­ ностью упорядоченное состояние отвечает минимуму энергии внут­ ренних напряжений, связанной с сопряжением аустенитной и мартенситной фаз. Это означает, что разупорядочение может при­ вести только к увеличению упругой энергии.

В самом деле, любое перераспределение атомов внедрения меж­ ду октаэдрическими подрешетками, ведущее к разупорядочению, изменяет параметры решетки мартенсита, и следовательно, изме­ няет геометрические размеры мартенситного кристалла. При этом происходит нарушение оптимальных условий сопряжения фаз, сложившихся в результате мартенситного превращения на гра­ нице «мартенситный кристалл — аустенитная матрица», и, как следствие этого,— возрастание упругой энергии. Последнее яв­ ляется тем дополнительным фактором, который обеспечивает стабильность исходного упорядоченного состояния.

Сделанные выводы сохраняют свою справедливость и в случае, когда сталь не содержит остаточного аустенита, а представляет собой конгломерат различным образом ориентированных мар­ тенситных кристаллов. В этой ситуации увеличение упругой энер­ гии при разупорядочении будет связано с нарушением оптималь­ ных условий сопряжения на границах между различно ориенти­ рованными мартенситными кристаллами.

Увеличение упругой энергии пропорционально квадрату ха­ рактерной деформации, связанной с отклонением распределения углерода от полностью упорядоченного распределения с т| = 1. Если принять, что концентрационная зависимость параметров решетки мартенсита подчиняется линейному закону (имеющиеся

О

[255])), то характерная деформация должна быть пропорциональ­ на концентрации углерода, ушедшего из «своей» подрешетки окта­ эдрических междоузлий в две «чужие», полностью незаполненные подрешетки октаэдрических междоузлий. Складывая п2 и п3 в

(42.1), получим, что эта концентрация равна -^-с(1 — ц). Таким

образом, характерная деформация пропорциональна с (1 — ц), а связанное с разупорядочением возрастание упругой энергии,

энергии. Конкретный расчет, произведенный в предположении, что неупругая аккомодационная деформация мартенситного кри­ сталла к аустенитной матрице осуществляется за счет двойникования по плоскости (112)м, дает значение [258] х 0,33 эв. В тех случаях, когда взаимная аккомодация фаз осуществляется с по­ мощью дислокаций, не нарушающих трансляционную инвариант­

В соответствии с теоремой Колонетти полная упругая энергия системы равна сумме энергий внутренних напряжений и напряже­ ний, связанных с внешними силами. Если принять, что упругая энергия (38.26). учтенная в выражении для свободной энергии (42.6), обусловлена внутренними напряжениями, а упругая энер­ гия (43.1) — напряжениями, связанными с внешними силами, то полная свободная энергия мартенситного кристалла равна сумме свободной энергии (42.6) и дополнительной упругой энер­ гии (43.1):

F = F0 (с) + Ѵ Ѵ + у - Кс2(1 — ц)г + vT1/V/*

+[2 (1 - ц) ln (1 - т)) + (1 + 2ц) ln (1 + 2ц)]. (43.2)

Температурная зависимость параметра дальнего порядка ц определяется из условия минимума свободной энергии (43.2) (равенства нулю первой производной от (43.2) по ц). Эта зависи­ мость имеет вид

Исследование уравнения (43.3) показывает, что температурная зависимость параметра дальнего порядка описывается неоднознач­

354

ной функцией (эта ситуация является характерной для фазового перехода первого рода), если величина £ находится в очень узком интервале:

падает в интервал, заданный неравенством (43.4). Последнее оз­

§ 44. Мартенсит с аномальной тетрагональностью

Процессы перераспределения углерода по междоузлиям мар­ тенсита были недавно обнаружены в сплавах Fe — Mn — С [263—267]. В этих работах было найдено, что при низких темпе­ ратурах свежезакаленный мартенсит марганцевых сталей с мар­ тенситной точкой, расположенной ниже 0 °С, обладает необычной тетрагональной решеткой: параметр а больше, а параметр с мень­ ше, чем соответствующие параметры «нормальной» решетки мар­ тенсита для данного содержания углерода в стали. Аномальная решетка, таким образом, обладает пониженной тетрагональ­ ностью в свежезакаленном состоянии. Замечательно, что при на­ греве до комнатной температуры тетрагональность мартенсита увеличивается, однако так и не достигает своего «нормального» значения.

12* 355

Спонтанное увеличение степени тетрагональное™ является прямым доказательством того, что упорядоченное тетрагональное состояние действительно является термодинамически устойчивым, а не есть результат кристаллогеометрии мартенситного у — а превращения. Эффект увеличения степени тетрагональное™ виден на рис. 76, взятом из работы Алыневского и Курдюмова [265], где -показано увеличение междублетного расстояния линий (011)— (110) мартенсита марганцевой стали после нагрева до комнатных

температур. Результаты измере­ ний параметров решетки мартен­ сита марганцевых сталей [266] приведены на рис. 77. Тот же эф­ фект был обнаружен в рениевых сталях [267].

с/а

Для объяснения образования мартенсита с аномальным отно­ шением осей (и' -мартенсита) Лысак и Николин [264] предполо­ жили, что в этих сталях у — а мартенситное превращение проис­ ходит через промежуточную гексагональную решетку е-мартен- сита. При прямом у — а превращении должен образовываться мартенсит с нормальной степенью тетрагональное™. В случае же перехода у е -> а, как полагают авторы [264], часть атомов углерода может оказаться в тетраэдрических междоузлиях и выз­ вать аномальную тетрагональность.

Более естественным нам представляется другое объяснение [268], в основе которого лежит предположение о том, что взаимная аккомодация решеток аустенита и мартенсита марганцевых ста­ лей осуществляется за счет двойникования аустенита по системе

356