Статья поступила в редакцию 30.11.09. Ред. рег. № 643
The article has entered in publishing office 30.11.09. Ed. reg. No. 643
УДК 536.424.1; 669.34
МЕХАНИЗМЫ «РЕАКЦИЙ» МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ И ВОДОРОДНОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ
И АЗОТИСТЫХ СТАЛЕЙ (АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ «ОТКРЫТЫХ» ВОПРОСОВ -ОПОСРЕДОВАННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ)
Ю. С. Нечаев
ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», Институт металловедения и физики металлов им. Г.В. Курдюмова 105005 Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 9/23 Тел./факс: 8 (495) 777-93-50; e-mail: yuri1939@inbox.ru
Заключение совета рецензентов: 04.12.09 Заключение совета экспертов: 10.12.09 Принято к публикации:13.12.09
В настоящем аналитическом исследовании, имеющем характер опосредованного эксперимента и концептуально-методологическую значимость, рассматриваются соответствующие экспериментальные и теоретические данные с целью решения некоторых «открытых» фундаментальных вопросов посредством дальнейшего раскрытия природы и механизмов мартенситного превращения (на электронном, атомном и наноструктурном уровне), главным образом применительно к углеродистым и азотистым сталям, а также сопоставления с природой и механизмами водородного растрескивания и стресс-коррозионного разрушения сталей.
Ключевые слова: мартенситное превращение (МП), углеродистые и азотистые стали, механизм и «формула» МП, сопоставление МП с водородным растрескиванием и стресс-коррозионным разрушением сталей.
MECHANISMS OF "REACTIONS" OF THE MARTENSITE TRANSFORMATION
AND THE HYDROGEN CRACKING OF CARBON AND NITROUS STEELS (AN ANALYTICAL RESEARCH OF THE "OPEN" QUESTIONS - AN INDIRECT EXPERIMENT)
Yu.S. Nechaev
Bardin Institute for Ferrous Metallurgy, Kurdjumov Institute of Metals Science and Physics 9/23, Vtoraya Baumanskaya st., Moscow, 105005, Russia Tel./fax: 8 (495) 777-93-50; e-mail: yuri1939@inbox.ru
Referred: 04.12.09 Expertise: 10.12.09 Accepted: 13.12.09
This analytical research of an indirect experiment character and the conceptual-methodological significance is devoted to a consideration of the related experimental and theoretical data. The study aim is to work out some open basic questions by means of the further revealing the nature and mechanisms of the martensite transformation (on the electronic, atomic, and nanostructural scale), mainly, conformably to the carbon and nitrous steels. It also includes a comparison with the nature and mechanisms of the hydrogen cracking and the stress-corrosion failure of steels.
Введение
Мартенситное превращение (МП) [1], как отмечено в [2], относится к одному из наиболее распространенных и в то же время необычных и даже загадочных фазовых превращений в твердых телах. С этим превращением связано упрочнение сталей при закалке [1-4], а также аномальные механические свойства сплавов, в том числе сверхупругость, сверхпластичность и эффект памяти формы [2-4]. На протяжении
последних 70 лет изучению феноменологии МП и его природы посвящено огромное количество экспериментальных и теоретических работ, обзоров и книг, многие из которых рассмотрены в [1-4].
Среди них особое место занимают основополагающие работы Г.В. Курдюмова с сотрудниками [1], выполненные в период 1927-1977 гг. Согласно [1], «мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются друг относи-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
тельно друга на расстояния, не превышающие межатомные». Как отмечается в [4], эта формулировка отражала основные общие черты МП и получила полное подтверждение при исследовании превращений, например, в сплавах Cu-Al, Cu-Sn, Cu-Zn. Подчеркивается [4], что она позволила точно предсказать сверхструктуру мартенситной фазы, образующейся при охлаждении упорядоченного твердого раствора CusAl.
Вместе с тем эта формулировка не содержала деталей механизма самой перестройки [4].
В частности, в данной формулировке не принималось во внимание распространенное в 30-40 гг. мнение о том, что превращение аустенита в мартенсит не подчиняется закономерностям фазовых превращений в твердом теле и не протекает путем образования и роста зародышей [4]. Это получило определенное уточнение в дальнейших исследованиях [1] МП в сплавах меди, где наблюдали обратный переход в переохлажденном твердом растворе, имеющий характерные особенности МП. Установленный таким образом факт «обратимости» превращения позволил рассматривать [1] исходную и мартенситную фазы как кристаллические модификации одного и того же твердого раствора, а МП - как переход из одной кристаллической модификации в другую, подобный полиморфным превращениям элементов. Отсюда был сделан вывод [1], что МП должно протекать путем высокоскоростного образования и роста зародышей. Вместе с тем проблема зарождения кристаллов мартенсита в рамках формулировки и концепции [1] оказалась наиболее сложной [2, 4, 5]. Изложенная трактовка обратного МП [1] в разных работах Г.В. Курдюмова и его научной школы то принималась, то отвергалась [4]. Этот вопрос остается не вполне решенным и до настоящего времени [2-5].
С другой стороны, сформулированная концепция позволила Г.В. Курдюмову обосновать возможность медленного (изотермического) протекания МП, которое вскоре после этого было обнаружено и изучается до настоящего времени [3, 4].
Г.В. Курдюмов обосновал также возможность термоупругого равновесия для МП, которое вскоре было обнаружено в эвтектоидных сплавах Cu-Al и впоследствии стало основой для разработки сплавов с уникальными свойствами - памятью формы, сверхупругостью, высокой демпфирующей способностью [2, 4]. В 1981 г. это явление было зарегистрировано в качестве открытия под названием «эффект Курдю-мова».
Как подчеркивается в [4], проблема, которая, по-видимому, в наибольшей степени интересовала Г.В. Курдюмова в последние годы его активной научной деятельности, связана с природой, закономерностями и механизмами размещения и перераспределения атомов углерода в решетке мартенсита, в частности, к дислокациям. Эта проблема до настоящего времени далеко не решена и нуждается в дальнейших исследованиях [2, 4, 5].
В настоящем аналитическом исследовании рассматриваются соответствующие экспериментальные и теоретические данные с целью решения некоторых из сформулированных выше фундаментальных проблем [1-5] посредством дальнейшего раскрытия природы и механизмов МП, главным образом применительно к углеродистым и азотистым сталям, а также сопоставления с природой и механизмами водородного растрескивания (ВР) и стресс-коррозионного разрушения (СКР) сталей.
Использовались аналитические подходы, методы и результаты [6-9] термодинамического (и др.) анализа, сопоставления и систематизации большого массива экспериментальных и теоретических данных с целью раскрытия и определения механизмов, закономерностей и характеристик процессов (явлений) на электронном, атомном и наноструктурном уровне. Результаты данных исследований имеют в основном характер опосредованного эксперимента и коцепту-ально-методологическую значимость.
Размещение и состояние углерода (или азота) в железе и сталях
Для решения проблемы природы и механизмов размещения и перераспределения атомов углерода в решетке мартенсита и, в частности, к дислокациям [1, 2, 4] прежде всего целесообразно рассмотреть не вполне решенную проблему размещения и состояния углерода (и азота) в кристаллической решетке и на дислокациях в железе и сталях [6-9].
Аустенит (твердый раствор С или N в уРв, гранецентрированная кубическая (ГЦК)
структура); формулы «реакций» растворения и диффузии С или N в уРв
Согласно экспериментальным данным, описанным в [10, 11], парциальная энтальпия растворения и энтальпия (энергия) активации диффузии углерода (или азота) в уБе (аустените) остаются неизменными (в пределах погрешности измерений) или незначительно изменяются в широком интервале концентраций (до 7 ат. % С или 10 ат. % М), что характерно для идеальных или близких к идеальным растворов [10, 12]. Вместе с тем, как показано в тех же работах [10, 11], термодинамическая активность и коэффициент диффузии углерода (или азота) в аустените существенным образом зависят от концентрации примеси (С, М), что не согласуется с закономерностями идеальных растворов [10, 12]. При описании экспериментальных результатов [10, 11] в рамках статистической термодинамики используют модели растворов внедрения атомов углерода (или азота) в октаэдрические междоузлия (ОМу) ГЦК-структуры (рис. 1). При этом для описания отмеченных выше отклонений от закономерностей идеальных растворов оказывается необходимым введение дополнительной гипотезы [10]. Согласно этой эмпирической гипотезе, каждый атом углерода (или азота), нахо-
дящийся в одном из ОМу аустенита, создает условия, исключающие возможность заполнения (даже в сильно разбавленном растворе) определенного числа (пСу* = 3-5 для С, пЫу* = 3-12 для К) соседних ОМу другими атомами углерода (или азота) [10, 11].
b
Рис. 1 [18]. а - Тетраэдрические (1) и октаэдрические (2) междоузлия (пустоты, поры) в двухслойной плотнейшей упаковке. Атомы верхнего слоя изображены в виде двойных
окружностей. Каждая из октаэдрических пустот (пор) расположена между шестью соприкасающимися «шарами» - структурно эквивалентными атомами (ее ближайшими соседями); b - положение тетраэдрических (1) и октаэдрических (2) междоузлий (пустот, пор) в ГЦК решетке. Атомы не показаны. На каждый атом ГЦК решетки приходятся две
тетраэдрических и одна октаэдрическая пустоты (поры) Fig. 1 [18]. a - The tetrahedral (1) and octahedral (2) interstitial sites (voids, hollows) in two-layer closest packing of atoms. The upper layer atoms are shown as double circles. Everyone of the octahedral hollows is located between six adjoining "balls" - the structurally equivalent atoms (the nearest neighbors of the void); b - The positions of the tetrahedral (1) and octahedral (2) interstitial sites (voids, hollows) in FCC lattice are shown. The atoms are not shown. There are two tetrahedral and on
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.