научная статья по теме ДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ВОЗМОЖНЫХ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ НАНОКРИСТАЛЛОВ АУСТЕНИТА, ФОРМИРУЮЩИХСЯ ПРИ α-ε-γ - ПРЕВРАЩЕНИИ В СПЛАВАХ FE-NI ПУТЕМ ДЕФОРМАЦИИ И ПЕРЕТАСОВКИ ПЛОСКОСТЕЙ {110}α Физика

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ВОЗМОЖНЫХ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ НАНОКРИСТАЛЛОВ АУСТЕНИТА, ФОРМИРУЮЩИХСЯ ПРИ α-ε-γ - ПРЕВРАЩЕНИИ В СПЛАВАХ FE-NI ПУТЕМ ДЕФОРМАЦИИ И ПЕРЕТАСОВКИ ПЛОСКОСТЕЙ {110}α»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 9, с. 899-907

^ ТЕОРИЯ

МЕТАЛЛОВ

УДК 536.424.1

ДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ВОЗМОЖНЫХ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ НАНОКРИСТАЛЛОВ АУСТЕНИТА, ФОРМИРУЮЩИХСЯ ПРИ а-е-у-ПРЕВРАЩЕНИИ В СПЛАВАХ Fe-Ni ПУТЕМ ДЕФОРМАЦИИ И ПЕРЕТАСОВКИ ПЛОСКОСТЕЙ {110}а © 2015 г. М. П. Кащенко*, **, В. Г. Чащина*, **

*Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19 **Уральский государственный лесотехнический университет, 620100Екатеринбург, Сибирский тракт, 37

e-mail: mpk46@mail.ru Поступила в редакцию 05.11.2014 г.; в окончательном варианте — 03.03.2015 г.

В рамках динамической теории обсуждается один из возможных вариантов формирования мартен-ситных кристаллов при обратном а—у-превращении в Fe—Ni сплавах, связанный с участием промежуточной в-фазы. Рассматривается механизм плоской деформации растяжения — сжатия плоскостей {110}а. Найден набор характерных морфологических признаков для кристаллов у-фазы, свидетельствующий о причастности в-фазы к их образованию и включающий материальные ориентационные соотношения близкие к идеальным соотношениям Курдюмова—Закса.

Ключевые слова: мартенситное превращение, динамическая теория, обратное а—у-превращение, промежуточная в-фаза, материальные ориентационные соотношения.

DOI: 10.7868/S0015323015090090

ВВЕДЕНИЕ

Как известно [1], прямое (при охлаждении) у— а-мартенситное превращение (МП) в сплавах Ре—(30—33)№ происходит при температурах ниже комнатных, когда процессы диффузии практически подавлены. Поэтому МП реализуется при охлаждении в широком интервале скоростей из типичного для лабораторных условий диапазона. Продукт превращения — линзовидные кристаллы. Центральная тонкопластинчатая часть кристаллов (мидриб) представляет собой либо монокристальную область, либо систему двойников превращения [2], демонстрирующую тенденцию к регулярности (отношение объемов основной и двойниковой компонент варьируется [3, 4] в окрестности значения 1.5). Обрамляющая мидриб линзовидная область частично двойникована и обладает дислокационной структурой без явных признаков регулярности. Объем обрамляющей (дислокационной) зоны может существенно превышать объем мидриба.

Ясно, что эти особенности морфологии могут отразиться на вариантах протекания обратного МП (при нагреве). Действительно, в настоящее время различают как минимум три морфотипа [5—8]. Первый из них относится к формированию нанокристаллов у-фазы и связывается с влиянием

на зарождение дислокационной зоны линзовид-ных кристаллов. Второй морфотип — это крупные кристаллы, соизмеримые по размеру с исходными кристаллами а-фазы, возникающие, как правило, при быстром нагреве. Третий морфотип — глобулярный аустенит, не имеющий, в отличие от первых двух, набора макропризнаков, типичных для механизма мартенситного превращения. Напомним, что для реализации бездиффузионного а—у-пре-вращения по мартенситному варианту скорости нагрева должны быть достаточными для подавления диффузии, поскольку, благодаря большому температурному гистерезису, начало обратного превращения может заметно превысить комнатную температуру.

При достаточно медленном нагреве наблюдается диффузионное перераспределение никеля. В результате, в областях образца с меньшим содержанием никеля температуры начала и прямого, и обратного МП повышаются. В области же обогащенной никелем понижаются температуры начала и мартенситного и бейнитного превращений (БП) (более подробно об этом говорится при обсуждении результатов). Поэтому при медленном нагреве интервал температур обратного МП и БП расширяется. Однако, если продукт превращения обладает набором однозначно связанных макро-

Рис. 1. Волновая модель управления ростом мартен-ситного кристалла.

скопических морфологических признаков (габи-тусная плоскость, межфазные ориентационные соотношения (ОС), макросдвиг), то это указывает на быстрый механизм роста. Тогда имеется гарантия, что в процессе роста кристаллов диффузия роли не играет.

Кроме того, в [7, 8], на основе данных электронно-микроскопических исследований, отмечается возможность протекания а—у МП через промежуточную е-фазу с ГПУ-решеткой.

Разумеется, существенным представляется анализ особенностей механизмов превращений в пределах каждого из наблюдаемых морфотипов. В связи с этим спектр вопросов достаточно широк. Однако одной из наиболее интересных является проблема формирования промежуточной е-фазы в сплаве Ре-32№, не обладающем низкой энергией образования дефектов упаковки. Значит, традиционные дислокационные трактовки [9] подобного превращения маловероятны. Поэтому цель данной работы - проанализировать в рамках динамической теории возможность реализации а—е-у МП для кристаллов, относящихся к первому морфотипу, и выявить особенности морфологии превращения, указывающие на участие е-фазы в структурной перестройке.

ДИНАМИЧЕСКИЕ СЦЕНАРИИ, СУЩЕСТВЕННЫЕ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ

а-е-у МП И ХАРАКТЕРНЫХ ОРИЕНТАЦИОННЫХ СООТНОШЕНИЙ

В динамической теории МП [10-14] в качестве первого (базового) сценария рассматривается вариант быстрого формирования кристаллов мартенсита со сверхзвуковыми скоростями (по отношению к продольным волнам) за счет распространения нелинейной волны превращения.

Управляющий волновой процесс (УВП), локализованный в области фронта волны превращения, формируется при появлении начального возбужденного (колебательного) состояния в упругом поле дислокационного центра зарождения (ДЦЗ), нарушающего симметрию исходной фазы и снижающего межфазные барьеры (энергетические и деформационные). Для удобства читателей сказанное иллюстрирует рис. 1.

На рис. 1 единичные ортогональные векторы ^12 соответствуют собственным векторам тензора деформаций упругого поля дислокационного центра зарождения, представленного отрезком линии дислокации в верхней части рисунка. Вытянутый прямоугольный параллелепипед с ребрами вдоль ^12 направлений соответствует области начального возбужденного состояния (НВС). Процесс возбуждения связан с выделением энергии в локальной области потери устойчивости исходной фазы, находящейся в метастабильном состоянии перегрева либо переохлаждения по отношению к температуре фазового равновесия Т0. Поскольку главный вклад в теплоемкость системы дают колебания решетки, выделение энергии связано, главным образом, с возбуждением колебаний. Колебательный процесс порождает распространение волн. На рис. 1 показана пластинообразная область, формирующаяся в результате наложения двух волновых пучков продольных волн, распространяющихся в ортогональных направлениях ^12 и несущих деформацию растяжения и сжатия. Считается, что деформация, переносимая суперпозиционным волновым процессом, обеспечивает преодоление межфазных барьеров, так что решетка исходной фазы позади волнового фронта релаксирует к новому, более устойчивому состоянию, находясь в стесненных условиях контакта с непревращенной исходной фазой. Очевидно, что ориентации габитусных плоскостей в этом случае формируются движущимися линиями пересечения фронтов волн, а скорость роста кристалла V задается векторной суммой скоростей v1 и Кроме того, ясно, что состояние, подобное НВС, воспроизводится на фронте волны превращения.

Следовательно, в структуре УВП присутствует, как минимум, пара продольных (либо квазипродольных) волновых пучков, ответственных за описание ориентации габитусной плоскости кристалла (€-волны). Кроме того, могут присутствовать и пары волновых пучков с меньшими длинами волн («-волны), необходимые для формирования двойников превращения и действующие согласованно с более длинными ^-волнами. Как показывает анализ [14], переход к финальным деформациям от порогового уровня по времени может быть разделен на два этапа. Первый быстрый этап связан с «-волнами, на нем достигаются равные деформации растяжения и сжатия, дополня-

емые на втором этапе относительно длинноволновыми деформациями. Такие варианты УВП позволяют инициировать процесс бейновской деформации, приводящей к кратчайшим путям перестройки структуры и, следовательно, к минимальным интервалам времени и максимальным скоростям МП. В качестве примера может служить описание двойникованных тонкопластинчатых кристаллов (или мидрибов линзовид-ных кристаллов) с габитусами {2 5 9}у—{3 10 15}у. Ясно, что именно этот сценарий имеет отношение к формированию исходного состояния а-фа-зы после прямого (при охлаждении) у—а МП в сплаве Бе—32№.

Второй сценарий, доказавший свою конструктивность применительно к ОЦК-ГПУ (а—е) МП на примере титана [15, 16], акцентирует внимание на быстрой плоской деформации типа растяжения — сжатия плоскостей {110}а с достаточно плотной упаковкой атомов и дополнительной перетасовкой деформированных плоскостей. Деформация инициируется парой волн, ответственных за описание габитусов кристаллов. Следует подчеркнуть, что такая перетасовка (а точнее, неоднородный сдвиг) не сказывается на макроскопических морфологических признаках, и поэтому далее внимание на ней не акцентируется.

Именно этот сценарий играет центральную роль в данной работе. Одним из оснований для такого утверждения служит информация [8] о том, что ОС между а- и у-фазами близки к соотношениям Курдюмова—Закса (К—З). Напомним, идеальные ОС К—З [1] предполагают строгую параллельность следующих плоскостей и направлений:

{110}а || {111}у, <1 11>а || <1 10>г

(1)

[17], см. также [13, 18]). Близость к ОС Г—Т, согласно [6], доминирует и при обратном а—у МП. Эти факты отнюдь не означают, что ОС К—З в принципе не могут быть реализованы. Как отмечено в [14, 19, 20], параллельность плоскостей ожидается, если УВП инициирует наибыстрейшую деформацию плотноупакованных плоскостей {111}у при у—а МП.

Важным условием для перехода от пороговых к финальным деформациям является сохранение их отношения к, связанного с отношением скоростей управляющих волн ж. В простейшем варианте

(3)

к = ж2.

Заметим, что соотношения (1) были гипотетически предложены на основе формальной кристал-логеометрической двухсдвиговой схемы для прямого у—а МП в сплавах железа. Однако в действительности, ОС К—З при у—а МП не наблюдаются.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»