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

[112] ( 1 1 1 ) а , который затем превращается в мартенсит посредством деформации Курдюмова — Закса. Этот механизм отличается от обычного механизма [222, 223], в котором аккомодация решеток

формации Бейна. Двойникование по системе [112] (111)а представ­ ляется естественным для ГЦК решетки, особенно для тех случаев, когда в ней имеют место низкие значения энергий дефектов упа­ ковки. Последнее как раз реализуется в аустените марганцевых сталей.

Деформация Курдюмова — Закса, приводящая к у — а пе­ рестройке, превращает двойникование по системе [112] (111)а

вдвойниковый сдвиг по системе

[011](011)а в решетке ос-железа. При этом весьма важным являет­

плоскостью зеркальной симметрии, и атомы углерода в результате двойникующего сдвига [011] (011)м оказываются в зеркальном положении относительно плоскости сдвига (011)м (рис. 78), т. е. во второй подрешетке. Таким образом, мы имеем дело С ситуацией, когда в монокристаллах a -железа углерод располагается не в од­ ной, а в двух подрешетках октаэдрических междоузлий, и, следо­ вательно, кристалл находится в частично разупорядоченном со­ стоянии.

Следует заметить, что экспериментальная проверка механизма у — а превращения, предложенного в [268], представляется за­ труднительной. Дело в том, что прямым аргументом в пользу этого механизма является наблюдение двойников [0Т1] (011)м в мартенсите. Это принципиально невозможно для безуглеродистого мартенсита, так как для него плоскость (011)м является плос­ костью зеркальной симметрии и, следовательно, в нем атомы железа образуют идеальную ОЦК решетку, и возможно лишь в меру тет-

357

рагональности мартенсита, если в нем присутствуют атомы угле­ рода. Отклонение степени тетрагональное™ от единицы достаточ­ но мало (имеет порядок ІО-2).

Частично разупорядоченное распределение атомов углерода, реализующееся в результате бездиффузионного превращения, не является равновесным относительно перераспределения атомов углерода между подрешетками октаэдрических междоузлий. По­ этому нагрев мартенсита до комнатных температур обеспечивает кинетические возможности для перераспределения атомов углеро­ да вплоть до достижения равновесного распределения. Если свеже­ закаленный мартенсит марганцевой стали был бы изолирован от матрицы, то при комнатной температуре, начиная с состава при­ близительно 0,7 вес. % С, реализовалось бы состояние с т) = 1 (см. рис. 74), т. е. состояние с тетрагональностью, близкой к «нор­ мальной». То обстоятельство, что кристаллы «аномального» мартенсита заключены в матрицу, вносит свои коррективы в про­ цесс упорядочения. Как и в случае «нормального» мартенсита, наличие сопряжения решеток приводит к стабилизации того рас­ пределения атомов углерода, которое имеет место в свежеобразо­ ванном состоянии.

Однако если в «нормальном» мартенсите, для которого в свеже­ образованном состоянии т) = 1, эффект сопряжения фаз подавляет тенденцию к разупорядочению, то в «аномальном» мартенсите марганцевой стали, для которого в свежеобразованном состоянии имеет место частично разупорядоченное состояние с Ѵ2 < т] *< 1, эффект сопряжения фаз подавляет тенденцию к упорядочению. Последнее обстоятельство, по-видимому, и является причиной того, что при комнатной температуре тетрагональность мартенси­ та марганцевой стали увеличивается, но так и не достигает значений, которые имеют место для «нормального» мартенсита

(см. рис. 77).

Обнаруженный в работах [263 —265] эффект упорядочения в свежезакаленном мартенсите позволяет определить тепловой эффект, связанный с перераспределением атомов углерода между различными подрешетками октаэдрических междоузлий. Энергия перехода одного атома углерода из «чужой» в «свою» подрешетку октаэдрических междоузлий была определена микрокалориметрическим методом в работе [269]. Для мартенсита марганцевой стали с содержанием углерода 1 вес.% С эта энергия равна 0,1 эв.

Тепловой эффект реакции равен разности АС/ внутренних энер­ гий конечного и исходного состояния. Эта разность, как следует

358

ческих междоузлий, как это следует из (42.1), переходит

атомов углерода. Деля равенство (44.1) на (44.2), получим, что энергия, приходящаяся на один атом углерода, равна

Из рис. 77 видно, что при рс — 1 вес. % С (с — 0,0466) исход­ ная тетрагональность в свежезакаленном состоянии равна (с/а)0 = = 1,03, в конечном состоянии (cla)1 = 1,043, нормальная тетра­ гональность (с/а)н = 1,045. Из выражения (42.2) следует, что

Таким образом, используя (44.4), получим

В § 42 было показано, что ^ = — 2,6 эв. Используя получен­ ные численные значения, можно подсчитать с помощью формулы (44.3) теоретическое значение энергии перехода одного атома угле­ рода из «чужой» в «свою» подрешетку. Она равна

Эта цифра находится в хорошем согласии с экспериментальным значением 0,1 эв [269].

§45. Сиинодаіьный распад в железо-углеродистом мартенсите

Впредыдущих параграфах было показано, что атомы углерода

вмартенсите занимают только одну «разрешенную» подрешетку октаэдрических междоузлий и не могут занимать две остальные

«запрещенные» подрешетки. Такой твердый раствор впедрения можно рассматривать как обычный ОЦК двухкомпонентный рас­ твор замещения. Узлами этого модельного раствора замещения слу­ жат «разрешенные» октаэдрические междоузлия, которые обра­ зуют простую ОЦК решетку. Атомами первого компонента служат атомы углерода, атомами второго компонента — пезанятые ато­ мами углерода «разрешенные» октаэдрические междоузлия. В та­ ком растворе внедрения возможны те же явления, что и в обычном

359

бинарном растворе замещения: расслоение, спинодальный распад, упорядочение и т. д. Какое из перечисленных явлений будет иметь место, зависит от характера межатомного взаимодействия.

В предыдущих параграфах было показано, что основную роль во взаимодействии атомов внедрения играет деформационная энер­ гия, обязанная своим происхождением интерференции полей упру­ гих напряжений. Эта энергия может быть вычислена через атомар­ ные характеристики a -железа и концентрационную зависимость параметров решетки мартенсита. Используя потенциалы деформа­ ционного взаимодействия в статистико-термодинамических расче­ тах, можно определить те явления, которые имеют место в модель­ ном растворе замещения ctFe — С.

В § 6 было показано, что концентрационные неоднородности могут быть представлены в виде суперпозиции плоских статиче­ ских концентрационных волн. Если амплитуды этих волн £ ( к , 0 ) достаточно малы, то они эволюционируют во времени по экспонен­ циальному закону:

где R ( к ) —декремент затухания, определяемый в приближении самосогласованного поля формулой (6.32):

где — L ( к ) — коэффициент диффузии с учетом пространственной дисперсии (при малых к имеем: L (к) ~ —Dk2, где D — обычный коэффициент диффузии), V ( к ) — фурье-компонента потенциалов парного взаимодействия. Так как, по определению, —L ( к ) ) > 0, то знак декремента R ( к ) определяется знаком величины в квадрат­ ной скобке (45.2).

Если

то R ( к ) )> 0. В этом случае из формулы (45.1) следует, что ампли­ туды всех концентрационных волн будут уменьшаться со време­ нем, а соответствующие им концентрационные неоднородности — рассасываться. Последнее означает, что неравенство (45.3), будучи справедливым для всех волновых векторов к, выступает в роли критерия устойчивости однородного состояния относительно обра­ зования малых концентрационных неоднородностей. Если же знак неравенства (45.3) изменяется на противоположный хотя бы для некоторых значений к, то мы приходим к ситуации абсолютной потери устойчивости однородного состояния относительно беско­

360