ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2007, том 103, № 2, с. 201-210
УДК 669.141.3:669.112.227.34:548.1
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
КРИСТАЛЛОГЕОМЕТРИЧЕСКИИ АНАЛИЗ ОРИЕНТАЦИОННОИ СВЯЗИ МЕЖДУ АУСТЕНИТОМ, ВИДМАНШТЕТТОВЫМИ КАРБИДАМИ И МАРТЕНСИТОМ В УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЯХ
© 2007 г. И. Г. Кабанова, Л. Е. Карькина, И. Л. Яковлева, В. М. Счастливцев
Институт физики металлов УрО РАН, 620041 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 Поступила в редакцию 22.05.2006 г.; в окончательном варианте - 16.08.2006 г.
Изучены совместные ориентационные соотношения (ОС) между аустенитом, видманштеттовыми карбидами (ВК) и мартенситом в зависимости от типа ОС ВК/аустенит (ОС Питча, Томпсона, Слиз-вика). Установлено, что в процессе мартенситного превращения ОС, близкие к известным ОС Ба-гаряцкого, между ВК и мартенситом, реализуются только в двух из двенадцати возможных вариантов, которые и наблюдаются экспериментально. Обсуждаются причины реализации этих двух вариантов при экспериментальном исследовании высокоуглеродистых сталей с учетом кристаллографических особенностей структуры межфазной границы ВК/аустенит.
PACS 61.50. К5, 81.30.Hd
ВВЕДЕНИЕ
Вопрос о существовании кристаллографической ориентационной связи между аустенитом, продуктами его распада, образующимися в процессе изотермического превращения, и мартенситом, образующимся при последующем охлаждении, обсуждается в литературе давно. Но из-за сложности получения достоверных экспериментальных данных этот вопрос до настоящего времени остаётся дискуссионным.
Известно несколько типов ориентационных соотношений между аустенитом и цементитом (карбидами) и между ферритом и цементитом, установленных различными исследователями экспериментально или полученных теоретически.
В заэвтектоидных углеродистых сталях при изотермическом превращении аустенита могут выделяться избыточные карбиды в виде видман-штеттового цементита (ВК). Ориентационные соотношения (ОС) между цементитными пластинами или видманштеттовыми карбидами (ВК) и аустенитом были установлены Питчем при электронно-микроскопическом изучении сплава Fe-1.3%С-12.0%Мп [1].
[ 100 ]в
[ 554] а; [ 010 ] вк || [ 110 ] А;
[ 001 ]в
[225]а.
(1)
12% между избыточными ВК и аустенитом установлены ОС Питча (1). В стали Fe-1.09%C-2.38%Мп Томпсоном и Ховелом между цементитом и аустенитом обнаружены следующие ОС [5, 6]:
[ 100 ] вк || ~[ 181 ] а; [ 010 ] вк || [ 101 ]а;
[ 001 ]
вк
[ 414]а.
(2)
Два типа экспериментально установленных соотношений между аустенитом и цементитом -ОС Питча (1) и ОС Томпсона (2), имеющие различный вид записи по отношению к осям ВК [100] и [001], характеризуются, тем не менее, одинаковыми свойствами. Из кристаллографического анализа [5, 6] следует, что кроме параллельности плотноупакованных направлений [010]ВК || (110}А им отвечает также близкая к точной (хотя и не очень строго, с отклонением ~1.17°) параллельность плотноупакованных плоскостей: {103}ВК ~ ~ || {111} А. Поскольку отклонение в ~1.17° практически невозможно различить экспериментально, авторы [5, 6] справедливо отмечают, что оба эти соотношения могут быть записаны в единой форме:
{103 }
вк
< 101}
А,
(3)
Подобные ОС были обнаружены также Хо-вом при изучении стали Fe-1.3%C-12.0%Mn методом высокоразрешающей электронной микроскопии [2], Аронсоном и Спаносом на стали Fe-0.81%С-12.3%Мп [3], в нашей работе [4] на стали Fe-1.5%C-4.3%Mn. Таким образом, в высокоуглеродистых сталях с содержанием марганца 4-
{ 111}а, <010} вк
< 301} вк || < 121} а.
Следует отметить ещё один интересный факт относительно соотношений (1) и (2). Входящие в них плоскости аустенита {455}, {118} и {225}, {144}, параллельные соответственно плоскостям (100)ВК и (001)ВК, оказываются парами плоскостей, идентичных между собой как по значениям межплоскостных расстояний, так и по взаимному расположению атомов, залегающих в них. Раз-
лична только упаковка входящих в пары атомных плоскостей.
В монографии Курдюмова Г.В. и др. [7] приведены ОС Кутелии между цементитом и аустени-том, отличные от ОС Питча и Томпсона. Однако в оригинальных работах Кутелии [8, 9] главным образом проведён анализ кристаллогеометрии фаз в бейните. Авторы наблюдали выделение цементита в аустените при нагреве в колонне микроскопа в стали Fe-1.7%C-3.0%Mn, но прямой электронно-микроскопический анализ ОС между этими фазами не проводился. В монографии Курдюмова Г.В. и др. также приведены ОС Джоу и Шифлета. В работах [10, 11] этих авторов отмечалось, что подобные ОС получены для ВК, которые зарождаются на границе зерна и имеют ОС с тем зерном, в которое они растут, указывается на наличие ОС карбидов с аустенитом соседнего зерна. В настоящей работе ОС Кутелии и ОС Джоу и Шифлета не рассматриваются.
Наряду с экспериментально определенными ОС (1), (2) между аустенитом и ВК известно также теоретическое соотношение Слизвика [12]:
[ 100 ] вк || [233 ]А; [ 010 ] вк || [ 011 ]А; [ 001 ] вк || [ ЗП]а.
(4)
[ 100 ] к 11 [ 311]ф; [ 010 ]к || [ 131 ] ф; [ 001 ] к || [ 215] ф.
При более низких температурах превращения преимущественно реализуются ОС Багаряцкого [18]:
[ 100 ] к || [ 011]ф; [ 010 ] к || [ 111]ф;
[ 001 ]к || [ 211 ] ф.
(6)
В монографии Курдюмова и др. [7] отмечается, что рядом авторов более точным анализом обнаружено небольшое (с поворотом вокруг
[010]К || [ П1 ]ф на 3.6°) отклонение от ОС (6), при котором достигается почти параллельность (101)К || ~{112}ф. Это отклонение отвечает полученным рентгенографически ОС Исайчева [19]:
(103 )к || (101) ф; [ 010 ] к 11 [ 111] ф; [З01]к || [ 121]ф.
(7)
Оно было выведено из рассмотрения возможного механизма перестройки решётки аустенита в цементит.
Выделение ВК может оказывать влияние на механизмы образования и кристаллогеометрию фаз, образующихся из аустенита (перлит и мартенсит). Известно, что морфология мартенсита в углеродистых сталях определяется главным образом концентрацией углерода [13-16]. Но ОС мартенсита с аустенитом меняются мало. В сталях с содержанием 0.6-1.4% углерода между аустенитом и мартенситом выполняются ОС Курдюмова-Закса (К-3) [17]. С выполнением этих ОС в процессе у —»- а-превращения могут образовываться кристаллы мартенсита с любой из 24 вариантов возможных ориентировок. Однако в реальных экспериментальных условиях редко наблюдается весь набор ориентировок кристаллов мартенсита одновременно. Ограничение числа ориентировок мартенсита чаще всего связывают с влиянием внешних или внутренних напряжений [16].
Соотношения между цементитом и ферритом (мартенситом) установлены также не однозначно. Известно, что в пластинчатом перлите существует ориентационная связь между его структурными составляющими (ферритом и цементитом). Если перлитное превращение осуществлялось при относительно высоких температурах (700-650°С), то чаще всего между ферритом и цементитом реализуются ОС Петча [17], или Питча-Петча (П-П):
Возможность одновременного существования ОС между аустенитом, ВК и мартенситом также рассматривалась в литературе [7]. Существование подобной связи можно ожидать, поскольку в переделах одного и того же исходного аустенитного зерна происходит ориентированное образование ВК и мартенсита. В нашей работе [4] проведенный при таких условиях электронно-микроскопический анализ позволил выявить существование ори-ентационных соотношений между ВК и мартенситом, близких к ОС Багаряцкого. Мы полагаем, что полученные ориентационные соотношения являются следствием ОС между ВК и аустенитом (ОС Питча) и аустенитом и мартенситом (ОС Курдюмова-Закса). При этом в [4] было экспериментально установлено, что ориентированное зарождение мартенсита в областях аустенита, обедненных углеродом вблизи ВК, приводит к наблюдению только одного типа ОС между ВК и мартенситом (ОС Багаряцкого).
Цель настоящей работы - провести кристал-логеометрический анализ всех возможных вариантов ориентационных соотношений между ВК и мартенситом, если оба процесса (выделение карбидов и мартенситное превращение) происходят в одном зерне аустенита. Предполагалось, что между аустенитом и мартенситом выполняются ОС Курдюмова-Закса. При этом между аустенитом и ВК рассматривались известные экспериментальные соотношения Питча, Томпсона - соотношения (1), (2), и теоретическое соотношение Слизвика (4). Анализ полученных расчётом вариантов ориентационной связи между ВК и мартенситом проводился путём сопоставления с хорошо известными соотношениями Петча, Багаряцкого (5), (6), а также - уточнёнными ОС Исайчева (7). В расчете ориентировок и при оценке межатом-
ных расстояний использовались параметры ГЦК-решётки аустенита а = 0.3590 нм и орторомбической решётки цементита: а = 0.4523 нм, Ь = 0.5089 нм, с = 0.6743 нм (приведенные в [20]). Для мартенсита расчет проводился в двух вариантах: для ОЦК-решётки (а = 0.2868 нм) и с учетом тетрагональ-ности - а = 0.285 нм, с = 0.303 нм, с/а = 1.06 (для стали с содержанием 1.5%С [7]).
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
ОРИЕНТАЦИОННЫХ СООТНОШЕНИЙ
В данной работе выделение ВК из аустенита при изотермическом превращении в заэвтектоид-ных сталях рассматривалось с возможной реализацией трёх видов ОС - Питча, Томпсона и Слиз-вика. Каждый из этих видов ОС согласно свойствам симметрии соотношений (1), (2), (4) имеет 12 кристаллографически эквивалентных вариантов. Образующийся при охлаждении мартенсит имеет 24 варианта ОС Курдюмова-Закса с исходным аустенитом. Задача исследования - провести анализ относительного расположения полюсов ВК и мартенсита на совмещенной стереографической проекции трех фаз с учётом всех возможных вариантов указанных выше ОС.
Для проведения такого анализа наиболее удобным представляется использование стандартной совместной [20] стереографической проекции (111) аустенита и (110) мартенсита, находящихся в ОС Курдюмова-Закса. Она отвечает любому из 24 кристаллографически эквивалентных кристаллов мартенсита, или одновременно всем, если её рассматривать как обобщенную. На обобщенную проекцию А + М при ОС Курдюмова-Закса сначала наносили полюсы (001) для всех возможных ориентировок ВК, используя соотношения (1)-(3).
На рис. 1 показано положение полюсов
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.