научная статья по теме К ВОПРОСУ О МЕХАНИЗМЕ ЗАРОЖДЕНИЯ ВЫДЕЛЕНИЙ МЕДИ ПРИ СТАРЕНИИ СПЛАВОВ FE–CU Физика

Текст научной статьи на тему «К ВОПРОСУ О МЕХАНИЗМЕ ЗАРОЖДЕНИЯ ВЫДЕЛЕНИЙ МЕДИ ПРИ СТАРЕНИИ СПЛАВОВ FE–CU»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2010, том 110, № 4, с. 364-373

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.13:620.181

К ВОПРОСУ О МЕХАНИЗМЕ ЗАРОЖДЕНИЯ ВЫДЕЛЕНИИ МЕДИ

ПРИ СТАРЕНИИ СПЛАВОВ Fe-Cu

© 2010 г. В. Н. Урцев*, Д. А. Мирзаев**, И. Л. Яковлева***, Н. А. Терещенко***, К. Ю. Окишев**

*ИТЦ "Аусферр", 455023 Магнитогорск Челябинской области, ул. Горького, 18 **Южно-Уральский государственный университет, 454080 Челябинск, просп. им. Ленина, 76 ***Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

Поступила в редакцию 03.03.2010 г.; в окончательном варианте — 06.04.2010 г.

Исследована структура сплава Fe—5.5% Cu после старения при 500°C; показано, что по мере увеличения выдержки выделения меди изменяют решетку в последовательности ОЦК, 9R, ГЦК. Рассчитаны свободные энергии твердых растворов и диаграммы расслоения ОЦК- и ГЦК-фаз меди. Оценены барьеры зарождения частиц меди с ОЦК- и ГЦК-решетками. Обсуждены факторы, способствующие возникновению промежуточных структурных форм меди, предшествующих образованию стабильной ГЦК-фазы.

Ключевые слова: сплав Fe—Cu, свободная энергия системы, старение, зародыш фазы, барьер зарождения.

Медь является важным легирующим элементом, добавки которого упрочняют сталь и усиливают сопротивление атмосферной коррозии. Легирование медью с целью последующего старения используется в сталях самых различных классов от низкоуглеродистых до мартенситностареющих и коррозион-ностойких. В силу этого понимание физической природы распада пересыщенных медью твердых растворов на основе железа чрезвычайно важно с практической точки зрения для того, чтобы эффективно использовать этот процесс с целью упрочнения реальных сталей и сплавов. Однако имеющиеся в литературе сведения о механизме распада пересыщенных сплавов Fe—Cu нуждаются в теоретическом обосновании и развитии.

Надежно установлено [1], что равновесная диаграмма бинарной системы Fe—Cu, подобно диаграмме Fe—C, содержит эвтектоидную реакцию для у-растворов (рис. 1). Эвтектоидная точка системы Fe—Cu расположена при концентрации 3.17 мас. % или 2.8 ат. % Cu и температуре 845°С. Фаза 8, а по существу чистая медь, обладает ГЦК-решеткой. Растворимость меди в продукте эвтектоидного распада — ОЦК-твердом растворе на основе железа ограничена. По данным [2], предельная растворимость меди равна: для 760°C - 0.79%, для 695°C - 0.47%, для 650°C - 0.3%, для 600°C - 0.18%, а для 500°C -0.05%.

В работах [3, 4], изучена кинетика распада заэв-тектоидного сплава, отмечены необычно большие значения коэффициента n в уравнении Аврами при аппроксимации им экспериментальных зависимостей. Дано объяснение этой особенности на основе гипотезы двухстадийного распада аустенита. Рассмотрена теория роста частиц 8-фазы и зернистого

перлита. Введены кинетические уравнения для каждой стадии превращения.

Известно несколько работ, посвященных изучению структуры при старении сплавов, содержащих медь. В работе Хорнбогена, выполненной в 1960 г. [5], на репликах сплава Ре—1.23% Си, состаренного до 1000 ч при 500, 600 и 700°С, были обнаружены частицы размером 9—100 нм. В соответствии с диаграммой фазового равновесия данные электронной дифракции свидетельствовали о том, что частицы имеют ГЦК-решетку г-фазы. Эти выделения растут как сферы до диаметра 30 нм, а далее приобретают форму стержней или прутков с направлением роста

t, °C 1500

1300

1100

900

700

а + L ájy^s^ L

а +/у

Y / Y + L 1094

Y + s L + s^V s l

U-á + Y 850

Га а + s i i i

0 20 40 60 80

Cu, ат. %

Рис. 1. Равновесная диаграмма состояния сплавов Fe-Cu [22].

вдоль [110]Си, ориентированных относительно матрицы по плотноупакованным направлениям: [111]Ре || [110]Си. Частицы, достигающие в длину 500 нм, все еще сохраняют ориентационную связь с матрицей [6]. Однако возможно, что начальные стадии развития частиц в этой работе не были исследованы, ибо в работах [7, 8, 9] показано, что сначала в матрице железа возникают обогащенные медью когерентные зародыши с ОЦК-решеткой, которые позднее трансформируются непосредственно в медь, обладающую ГЦК-решеткой. Например, в сплаве, содержащем 1.26% Си; 1.37% Мп и 0.2% А1, выдержанном при температуре 500°С в течение 2.5 ч, обнаружены когерентные выделения меди с ОЦК-решеткой, но при увеличении продолжительности старения появляются ГЦК-частицы, доля которых постепенно возрастает и после выдержки 46 ч составляет 70% [10].

Современные данные о структурных формах меди, возникающих при распаде сплавов железа, легированных медью, свидетельствуют о том, что выделение избыточной меди сопровождается более сложной перестройкой кристаллической решетки [11, 12, 13]. Формированию достаточно крупных устойчивых выделений меди с ГЦК-решеткой предшествуют промежуточные стадии, для которых характерно существование богатых медью фаз с ОЦК, а затем и плотноупакованной кристаллической решетки решеткой типа 9Я.

Благодаря применению высокоразрешающей электронной микроскопии авторы [11] получили прямые свидетельства того, что в состаренных сплавах Бе-1.37% Си и Бе-1.28% Си-1.4% N1 частицы меди испытывают мартенситное превращение с образованием решетки 9Я. При благоприятной ориентации фольги, когда пучок электронов параллелен направлению (111) железа и вблизи оси зоны располагается полюс базисной плоскости (009)9Я, на изображении частиц наблюдается характерный контраст. Самые маленькие наблюдавшиеся в [11] выделения со структурой 9Я имели размер 4 нм и состояли из двух двойникованных фрагментов; выделения больших размеров (до 13 нм) содержали несколько двойникованных фрагментов; при размере частиц больше 18 нм решетка превращалась в ГЦК.

В экспериментах при облучении электронами в колонне микроскопа и при термическом отжиге сплава Бе—1.5% Си изучены эффекты релаксации упругой деформации, возникающей при появлении участков с решеткой 9Я [12]. Показано, что размер зародыша меди, при котором происходит мартен-ситное ОЦК —»- 9Я превращение, зависит от температуры. В процессе старения при 550°С превращение в 9Я начинается тогда, когда когерентные ОЦК-кластеры достигают критического размера около 12 нм. Зародыши размером от 4 до 12 нм в ходе выдержки при 550°С сохраняют ОЦК-решетку и только при охлаждении до более низких температур превращаются в 9Я. Выделения минимальных размеров

(5 нм) превращаются в 9R при температуре —60°С. Авторы этой работы приходят к выводу, что упругая деформация релаксирует за счет диффузии атомов через межфазную границу матрицы железа и выделений меди, при этом энергия активации диффузии составляет 1.7 эВ. Решетку 9R можно рассматривать как плотноупакованную ГЦК-структуру с дефектами упаковки в каждой третьей плоскости, когда реализуется последовательность плоскостей: АВС/ВСА/САВ/А. Формально 9R представляет моноклинную решетку с параметрами a, b, c. В случае идеальной 9R решетки угол р = 90°, и решетка становится орторомбической. _ При _ превращении ОЦК—- 9Rвекторы ab [_01], ab [010] и ab [504] в ОЦК-координатах преобразуются в a [100], b [010] и c [001] в координатах 9R соответственно, где ab — параметр ОЦК-решетки. В таком варианте плотноупа-кованными оказываются плоскости (001)9R.

Анализ литературных данных позволяет заключить, что процесс распада пересыщенного твердого раствора системы Fe—Cu носит многостадийный характер. В этой связи особое значение приобретает вопрос о том, на какой стадии распада достигается наибольшее упрочнение сплава.

Авторы исследования [13], проведенного на высокопрочной низкоуглеродистой стали, содержащей 1.37 вес. % Cu; 0.059% C; 0.49% Si; 0.079% Nb; 0.49% Mn; 0.82% Ni; 0.034% Al, показали, что наибольшая твердость достигается после старения 500°С, 100 мин. Пику твердости для этого материала соответствует структура, содержащая когерентные наноразмерные выделения с диаметром 2.5 ± 0.3 нм и плотностью выделений (1.1 ± 0.3) х 1024 м-3, имеющие метастабильную ОЦК-решетку. Кроме меди (64%), выделения содержат 33% Fe и до 0.5% Al.

Имеются и другие мнения. В работе [14] на бинарном сплаве Fe-Cu получены экспериментальные и расчетные данные о том, что частицы меди, обеспечивающие максимальную твердость при изотермическом старении, имеют радиус 10 Á. В этом же исследовании для сталей с различной концентрацией меди рассчитаны скорости охлаждения, обеспечивающие наибольшее упрочнении при охлаждении.

Цель настоящей работы заключалась в том, чтобы провести теоретический анализ структурных преобразований при распаде системы Fe-Cu, сопоставить его результаты с имеющимися экспериментальными сведениями, установить структурные формы выделений меди, соответствующие наибольшему упрочнению материала, и объяснить с позиции теории зарождения и термодинамики причины первоначального выделения меди с ОЦК-решеткой.

МЕТОДИКА

Во всех выполненных ранее экспериментальных работах исследовались сплавы, в которых содержание меди не превышало 1.5%. В настоящей работе

Рис. 2. Структура сплава Бе—5.5% Си после закалки и старения при 500°С в течение 15 мин. а — реечный мартенсит, х60000; б — дислокации, декорированные выделениями, х150000; в — микродифракция, ось зоны (113).

изучали сплав Fe—5.5 мас. (4.87 ат.) % Cu, содержание углерода составляло около 0.02%. Предполагали, что при столь значительном пересыщении по меди характер распада твердого раствора будет выражен достаточно ярко.

Сплав был выплавлен в вакуумной индукционной печи, гомогенизирован при 1050°C в атмосфере аргона, прокован и прокатан на лист толщиной 2 мм. Заготовки были закалены от 1000°C в соленой воде, а затем состарены при 500°C. Электронно-микроскопическое исследование структуры состаренного сплава выполнено в Центре электронной микроскопии Института физики металлов УрО РАН на микроскопах JEM-200CX при ускоряющем напряжении 160 кВ и Philips CM-30 при ускоряющем напряжении 200 кВ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ

Структура сплава после нагрева 500°С, 15 мин представляет собой реечный мартенсит с высокой плотностью дислокаций, оформленных в ячеистую субструктуру (рис. 2а). При большем увеличении (рис. 2б) проявляется преимущественное на

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