При диффузионном превращении аустенита




Скачать 94.14 Kb.
Дата12.06.2016
Размер94.14 Kb.

«Стародубовские чтения - 2013»

УДК 669.017:621.771:621.785

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ МЕЖФАЗНЫХ γ→α ГРАНИЦ

ПРИ ДИФФУЗИОННОМ ПРЕВРАЩЕНИИ АУСТЕНИТА

Г. Д. Сухомлин, д. т. н.

ГВУЗ «Приднепровская государственная академия
строительства и архитектуры»

Внутрифазные и межфазные границы являются важными элементами микроструктуры большинства промышленных металлических материалов. Исследования последних лет показали, что границы зерен не бесструктурны, не аморфны (однородны), а построены из разнообразных кристаллоподобных атомных конфигураций, которые сообщают границам, а, следовательно, и поликристаллам, различные механические и физико-химические свойства [1–3]. В ряде работ показано, что от структуры границ зерен (ГЗ) существенно зависят многие свойства поликристаллических материалов, в частности, коррозионная стойкость, характер межкристаллитного разрушения, фазовые превращения [2–5]. Наибольшее признание в теории атомной структуры ГЗ получила концепция решёток совпадающих узлов (РСУ), согласно которой граница имеет возможность снизить свою поверхностную энергию, если существует такой угол и ось, при повороте вокруг которой между исходной и повёрнутой решётками образуется подрешётка (более крупных размеров), узлы которой являются общими для двух исходных [1]. При этом отношение числа совпадающих узлов (атомов) внутри элементарной ячейки такой подрешётки в Σ раз меньше общего числа узлов в ней. Снижение энергии образующейся при этом «специальной» границы происходит, если её плоскость проходит вдоль наиболее плотноупакованных плоскостей РСУ.

Реальная структура межфазных границ (МФГ) более сложная, так как полное совпадение узлов разных решёток невозможно, поэтому некоторые исследователи, изучая строение МФГ, допускают наличие некоторых релаксационных процессов, предполагающих образование подрешёток, состоящих из узлов, близких к совпадению [4], т. е., низкоэнергетических межфазных границ. Хови, Ааронсон и Хирт [5] предлагают разделить межфазные границы на когерентные, частично когерентные и полностью некогерентные, если они соответственно: а) не имеют дефектов; б) содержат минимальное количество «упорядоченных» дефектов и в) содержат максимальное количество неупорядоченных дефектов. При этом энергоёмкость таких границ возрастает с увеличением степени их дефектности. Смит в 1952 году предложил [6] оценивать относительную величину поверхностной энергии МФГ по схеме, показанной на рис. 1. Очевидно, что формула, определяющая соотношения энергий η, построена на предположении, что статистически энергии большинства МФГ в поликристалле будут примерно одинаковы. Однако, как показали многочисленные наблюдения, энергия МФГ в модели совпадающих узлов колеблется в значительных пределах в зависимости от величины и плотности совпадающих узлов в плоскости границы [1].




Рис. 1. Зависимость соотношения между энергиями межфазных и внутрифазных границ зёрен от двугранного угла θ [6].
На этом основании можно полагать, что и энергии разных границ γαβ также будут различными. Поэтому формула, определяющая зависимость η от двугранного угла θ:

и предполагающая одинаковые значения энергий всех границ α – β, вызывает ряд вопросов. В частности, каковы энергетические спектры межфазных границ γ–α при распаде аустенита в эвтектоидных и доэвтектоидных сталях, ответ на который представляет значительный практический интерес.

Целью работы было определение величины удельной поверхностной энергии (натяжения) межфазных границ при диффузионном γ→α превращении путём измерения угловых соотношений в равновесных тройных стыках межфазных и внутрифазных границ зёрен, взаимодействующих в процессе фазовой перекристаллизации в низкоуглеродистых сталях.

При полиморфных превращениях, осуществляющихся по диффузионному механизму, перемещение межфазной границы происходит путём беспорядочных перемещений атомов из одной, исходной фазы, в другую, дочернюю, без соблюдения каких-либо кристаллографических закономерностей [7]. Однако некоторые исследователи приводят данные, которые указывают на возможность образования доэвтектоидного феррита с реализацией ориентационной связи по Курдюмову–Заксу. Это может быть подтверждением ориентированного зарождения вторых фаз, возникающих по диффузионному механизму и образования специальных границ между дочерними кристаллитами.

В настоящей работе использовано свойство тройных стыков, определяющее соотношение удельной поверхностной энергии (натяжения) границ γі и величин противолежащих им углов αі, которое описывается уравнением Янга:

. (1)

С другой стороны, на шлифах низкоуглеродистых сталей с феррито-перлитной основой границы между ферритом и перлитом можно считать такими, которые возникают между доэвтектоидным ферритом и аустенитом. Действительно, до тех пор, пока аустенитный «островок» не распадётся с образованием группы колоний перлита, его периферийные границы являются межфазными – аустенитно–ферритными, а их натяжение зависит от атомной структуры границы между кристаллами двух фаз. Только после фазового превращения границы аустенит-феррит превращаются в феррит–феррит (или, точнее, перлит-феррит). До этого момента миграция таких границ замедлена в связи с метастабильным равновесием, которое наступает при температурах, близких к Ас1 передраспада аустенита. Так, на рисунке 2а показана область перлита, содержащая около 65 колоний перлита, а на рисунке 2б – соответствующая карта-схема, где стрелками указаны также некоторые стыки границ между колониями и ферритным зерном.







а

б

Рис. 2. Перлитная область в доэвтектоидной стали 06Х1 после отжига в течение 1 часа и охлаждения с печью: а – снимок на световом микроскопе с иммерсионным объективом; б – соответствующая карта-схема с контрастированием границ между колониями перлита.

Можно видеть, что границы между ферритными компонентами перлитных колоний не оказывают воздействия на границы с доэвтектоидным ферритом, что указывает на то, что они возникли уже после того, как сформировалась конфигурация тройных стыков между границами аустенитдоэвтек­тоидный феррит. Именно эти границы отражают взаимоотношения между силами поверхностного натяжения границ аустенитферрит и ферритферрит. Таким образом, области, содержащие перлитные колонии, можно условно считать аустенитными, а их границы с ферритом (например, Ж–А–Г–Д–Е) – межфазными границами γ – α. На рисунке 2 отмечен тройной стык (точка А) и угол, противолежащий границе гамма–альфа А–Ж, который равен почти 180 градусам (более точно 178 градусов), что указывает на очень низкую поверхностную энергию межфазной границы.

Если принять величину средней удельной поверхностной энергии границ в феррите равной 780 эрг/см2, то по уравнению (1) межфазная граница на рис. 2 будет иметь энергию около 32 эрг/см2. Кроме того, граница γ – α на участке А-Г в окрестностях Б и В содержит фасетки, которые присущи низкоэнергетическим специальным границам по концепции РСУ.

Примеры статистической обработки изображений тройных стыков в ферритно-перлитных структурах сталей 20 и 06Х1 приведены на рисунке 3а, в и в таблице 1.

Гистограмма на рисунке 4 показывает бимодальное распределение углов в тройных стыках, связанное с низкоэнергетическими межфазными границами γ – α, удельная поверхностная энергия которых составляет ~ 30…70 эрг/см2.







а

б





в

г

Рис. 3. Перлитные области (бывшие аустенитные) в доэвтектоидных сталях 20 (а, б) и 06Х1 (в, г) после отжига в течение 1 часа и охлаждения с печью: а, в – снимки с иммерсионным объективом; б, г – соответствующие карты-схемы с контрастированием границ между колониями перлита.

Таблица 1

Углы между границами в тройных стыках границ структур сталей 20 и 06Х1

№ стыка

Сталь 20 (рис. 3б)

Сталь 06Х1 (рис. 3г)

θαα

θγα

θαγ

θαα

θγα

θαγ

1

50

157

173

91

96

173

2

88

101

171

55

126

179

3

92

92

176

87

95

178

4

112

120

132

85

97

178

5

75

115

170

72

113

175

6

96

95

169

80

92

178

7

105

115

140

85

101

174

8

82

121

177

110

112

138

9

86

109

175










10

81

103

176












Рис. 4. Гистограммы распределения плоских углов между межфазными границами в тройных стыках зернограничных структур сталей 20 и 06Х1 и аналогичные результаты для α-латуни по данным работы [6].

Достоинством разработанной методики является простота и возможность исследования и анализа под световым микроскопом при комнатной температуре структур, образующиехся при высокотемпературных превращениях.



Выводы

  1. Предложена методика определения удельной поверхностной энергии межфазных границ аустенит-феррит в низкоуглеродистых сталях.

  2. С использованием разработанной методики установлено, что энергия границ γ – α, возникающих при диффузионном превращении аустенита, равна ~ 30…70 эрг/см2, что составляет η=0,05…0,1 от энергии границ феррит-феррит.



Список использованных источников


  1. Косевич В.М., Иевлев В.М., Палатник Л.С., Федоренко А.И. Структура межкристаллитных и межфазных границ. М.: Металлургия, – 1980, – 256 с.

  2. Watanabe T. The potential for grain boundary design in materials development. // Materials Forum. – 1988. Vol. 11 – Р. 284-303.

  3. Lim1 L.C., Watanabe T. Fracture toughness and brittle-ductile transition controlled by grain boundary character distribution (GBCD) in polycrystals. // Acta Metallurgica et Materialia – 1990, Vol. 38. – P. 2507-2516.

  4. Евтеев А.В., Иевлев В.М., Косилов А.Т., Прижимов А.С. Релаксированная атомная структура межфазной границы в гетеросистеме полусферическая наночастица-кристалл. // ФТТ – 2007, Т. 49, вып. 4, – С. 745-650.

  5. Howe J.M., Aaronson Н.I., Hirth J.P. Aspects of interphase boundary structure in diffusional phase transformations.//Acta mat. -2000. Vol. 48. – Р. 3977-3984.

  6. Smith C.S. Microstructure // Trans AIME, – 1948, – Vol. 175,– Р. 15-21.

  7. Kурдюмов Г.В., Утевский Л.М, Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. М.: Наука, – 1977, – 238 с.

УДК 669.017:621.771:621.785

Поверхностная энергия межфазных γ→α границ при диффузионном превращении аустенита / Г.Д Сухомлин // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. трудов. Вып. 67 - Дн-вск., ПГАСА, 2013.- С. 7-11. рис. 4. –Библиогр.: (7 назв.).

Предложена методика определения удельной поверхностной энергии межфазной границы аустенит-феррит в низкоуглеродистых сталях. С ее использованием установлено, что энергия границ γ – α, возникающих при диффузионном превращении аустенита, составляет η=0,05…0,1 от энергии границ феррит-феррит.








База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница