ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2011, том 111, № 2, с. 169-194
СТРУКТУРА, ^^^^^^^^
ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 538.91
КРИСТАЛЛОСТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРЕДПЕРЕХОДНЫХ ЯВЛЕНИЙ И ТЕРМОУПРУГИХ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
В СПЛАВАХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
© 2011 г. В. А. Лободюк*, Ю. Н. Коваль*, В. Г. Пушин**
*Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, 03680, Киев-142, пр. Вернадского, 36 **Институт физики металлов УрО РАН, 620041 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 09.04.2009 г.; в окончательном варианте — 11.06.2010 г.
Проведен анализ необычных и практически важных явлений и физических свойств, обусловленных обратимыми мартенситными превращениями, происходящими в основном в сплавах и соединениях цветных металлов. Рассмотрены основные типы мартенситных превращений, их кристаллогео-метрические особенности и структурно-морфологические характеристики, природа и структурные механизмы обратимости, явление термоупругости. Обсуждаются структурные механизмы перестройки при мартенситных превращениях, анализируются предмартенситные явления и их связь с мартенситными превращениями.
Ключевые слова: мартенситное превращение, деформация, механизмы, свойства, сплавы, применения.
ВВЕДЕНИЕ
Мартенситные превращения (МП), представляющие собой структурные реконструктивные фазовые переходы I рода, являются объектом многочисленных исследований и практического интереса уже в течение длительного времени. Первоначально под ними понимали у —а (ГЦК —»- ОЦК) структурное бездиффузионное сдвиговое превращение в сталях и сплавах железа, реализующее при быстром охлаждении и обеспечивающее их высокую прочность. Обобщение значительной части результатов этих исследований выполнено, например, в монографиях [1, 2]. Изучение структурных фазовых переходов в широком классе различных материалов показало, что МП имеют универсальный характер и представляют собой один из основных видов фазовых превращений во многих как металлических, так и неметаллических конденсированных системах.
Важный этап в исследованиях природы и механизмов, кинетики и микроструктурных особенностей МП начался после опубликования в 1963— 1968 гг. работ, в которых на сплавах никелида титана, близких к стехиометрическому N111 и получивших название нитинол (№1гЫОЦ), было обнаружено изменение длины образцов при охлаждении под нагрузкой [3—6]. Вначале это явление авторы связали с возможным изменением их химического и фазового состава при приложении напряжений [3]. Однако затем было установлено, что обратимое изменение длины обусловлено механически индуцированным прямым МП и обратным МП при нагреве после снятия нагрузки. Явление изменения фор-
мы за счет образования под действием приложенных напряжений, осуществляющих деформацию, предпочтительно кристаллографически ориентированных кристаллов мартенсита и последующее восстановление формы при нагреве, обусловленное их обратимым превращением в аустенит, получило название эффекта памяти формы (ЭПФ) [5, 6].
Следует, однако, отметить, что восстановление формы в исходное состояние и собственно самой структуры высокотемпературной аустенитной фазы при нагреве после прямого МП, происходящего при охлаждении в нагруженном состоянии или после деформации мартенситной фазы, наблюдали и раньше, например, в работах, посвященных изучению различных аспектов МП в сплавах Au—Cd [7], In—Tl [8, 9], Cu-Zn [10], Cu—Al—Ni [11]. Уже в ранних исследованиях был установлен ряд температурных и деформационных эффектов, связанных с изменением формы, размеров образцов и структурной наследственностью (восстановлением исходной структуры и микроструктуры) в цикле прямого и обратного МП. Многие из этих эффектов нашли экспериментальное подтверждение в последующих работах. Они получили различные названия: пластичность превращения, сверхупругость, псевдоупругость, ферроупругость, резиноподобное поведение, сверхпластичность, псевдопластичность. Были выявлены разнообразные эффекты памяти формы (например, однократно и многократно обратимой, реверсивной или круговой), высокого демпфирования, генерации напряжений и ряд других. В преддверии МП были обнаружены так назы-
ваемые предпереходные или предмартенситные явления (размягчение упругих модулей и фононных мод, предпереходные наноструктурные состояния) [12]. В последние 25—30 лет самые разные сплавы, которые испытывают МП, были исследованы прежде всего структурными методами и накоплены обширные экспериментальные данные, касающиеся различных аспектов МП.
В настоящем обзоре проведен сравнительный анализ необычных явлений и свойств, связанных в основном с термоупругими МП. Рассмотрены основные типы мартенситных превращений, их кристал-логеометрические особенности и структурно-морфологические характеристики, природа и структурные механизмы обратимости, явление термоупругости. Обсуждаются структурные механизмы перестройки при мартенситных превращениях, анализируются предмартенситные явления и их связь с мартенсит-ными превращениями.
ТИПЫ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ, ИХ ОБРАТИМОСТЬ
Мартенситное превращение является одним из основных видов фазовых превращений в твердом состоянии. Оно происходит во многих металлических сплавах (на основе И, Мп, Fe, Со, N1, Си, Zr, А§, 1п, Аи, и, Ри и др.), интерметаллических и металлокера-мических соединениях, в полимерах. Основными кристаллоструктурными особенностями, объединяющими все МП в один класс, являются закономерный упорядоченный характер осуществляющих структурную перестройку перемещений атомов друг относительно друга при их неизменном соседстве, кооперативность и направленность таких перемещений в процессе перестройки кристаллической структуры исходной аустенитной фазы в образующуюся мартенситную фазу и, как следствие, заметный макроскопический сдвиг и, например, появление рельефа на предварительно полированной поверхности. Обобщение экспериментальных результатов привело Курдюмова к следующему определению мартен-ситного превращения [13, 14]: Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются друг относительно друга на расстояния, не превышающие межатомные.
Данное определение отмечает главное, что выделяет МП среди фазовых превращений в твердом состоянии, и в то же время избегает излишней детализации механизма и особенностей самой кристал-лоструктурной перестройки. Закономерности перестройки при бездиффузионном МП вытекают из строгих кристаллогеометрических соотношений между атомно-кристаллическими решетками аустенитной и мартенситной фаз. Однако данных по взаимной кристаллографической ориентации аустенитной и мартенситной фаз для полного описания перестройки при МП недостаточно. Для
установления структурного механизма МП необходимы также сведения о межфазной границе (или га-битусной плоскости) кристаллов мартенсита и аусте-нита, соотношении удельных атомных объемов фаз AV/V = (Vm — Vi)/Vi направлении и величине макроскопического (однородного) сдвига, характере и величине неоднородных (перетасовочных) смещений атомов, обеспечивающих мартенситную перестройку кристаллической решетки.
В теоретических представлениях, развитых Кур-дюмовым, МП рассматриваются как фазовые превращения в однокомпонентной системе, протекающие путем зарождения и роста кристаллов новой фазы. Наряду с наличием атермического были выделены новые типы МП: изотермическое (при постоянной температуре) превращение аустенита при достаточно низких температурах [15]; термоупругое превращение, обусловленное существованием термоупругих кристаллов мартенсита и термоупругого равновесия [16]. Их экспериментальное обнаружение состоялось сначала на сплавах железа и меди (изотермического МП — в сплавах Fe—Ni—Mn [15], термоупругого — в Cu—Al—Ni [16]).
Итак, все МП по кинетике возникновения мар-тенситной фазы (зависимости от температуры и времени) можно подразделить на два типа: атерми-ческие и изотермические. Необходимо также отметить, что был обнаружен ряд сплавов, в которых наблюдаются обе кинетики МП. Протекающее по атермической кинетике МП не зависит от скорости охлаждения в широком диапазоне ее изменения, его нельзя задержать даже очень быстрым охлаждением. При понижении температуры происходит увеличение количества мартенситной фазы, а при постоянной температуре превращение быстро исчерпывается. Атермическое МП имеет четко определяемые критические температуры начала и конца прямого (М8, М) и обратного (A,, Af) переходов и характеризуется некоторым температурным гистерезисом ДТ. Величина гистерезиса ДТ при атермиче-ском МП может колебаться от нескольких сотен градусов, например, в сталях и сплавах на основе железа до нескольких десятков и единиц градусов, например, в сплавах на основе цветных и благородных металлов (рис. 1) [17].
В сплавах, испытывающих атермические МП с большими объемным изменением AV/V и гистерезисом ДТ, мартенситные кристаллы быстро достигают своих конечных размеров при охлаждении ниже Ms, дальнейшее превращение аустенита, которое часто растягивается на значительный интервал температур, происходит путем образования и роста новых кристаллов мартенсита. В сталях МП часто не доходит до конца и тогда может частично сохраняться так называемый остаточной аустенит [1, 2].
При прямом МП с большим AV/V образуются высокодефектные кристаллы мартенсита (с высокой плотностью дислокаций, нанодвойников и де-
фектов упаковки). Оказалось, что в результате обратного МП ревертированная аустенитная фаза может в значительной степени наследовать высокую плотность дефектов, и ее исходное состояние (имевшееся до превращения) не полностью восстанавливается. Это явление в сталях известно как фазовый наклеп [1, 2].
В этом случае образование аустенита происходит при значительном перегреве выше температуры фазового равновесия Т0 и не столько путем обратного перемещения межфазных границ кристаллов аусте-нита в сторону мартенситной фазы, а в основном посредством возникновения в мартенсите, как правило на межкристаллитных границах и субграницах, кристаллов аустенитной фазы и их последующего часто диффузионно-контролируемо
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.