Оглавление
Введение..................................................................5
Глава 1. Информация, существенная для постановки задачи исследования 11
1.1. Основные представления о реконструктивных мартенситных
превращениях (на примере у-а превращения в сплавах на основе железа)............................................................11
1.2. Суть концепций гетерогенного зарождения и волнового роста
кристаллов мартенсита..............................................14
1.3. Основные подходы к описанию двойниковой структуры..................23
1.4. Успехи и трудности, связанные с описанием прообраза
двойниковой структуры в рамках волновой модели.....................26
1.5. Задачи исследования................................................41
Глава 2. Управляющий волновой процесс и снятие вырождения по
ориентациям двойниковых границ...................................43
2.1. Сверхзвуковое распространение УВП в модели налагающихся
волновых пучков с ортогональными направлениями скоростей...........46
2
V
2.2. Система уравнений, задающих управляющий волновой процесс при реконструктивных мартенситных превращениях.............................52
2.3. Снятие вырождения по ориентациям границ ДС при учете /-волны сжатия.................................................................59
2.4. Заключение к главе 2..............................................62
Глава 3. Предпереходные состояния и соотношения объемов двойниковых
компонент.......................................................64
3.1. Возможные причины формирования упругих полей, задающих пространственный масштаб Х5............................................65
3.2. Упругие поля дислокаций и пространственный масштаб kg.............69
3.3. Соотношение долей компонентов РСС для различных вариантов
начального распределения потенциально активных ячеек с s-колебаниями.....................................................74
3.4. Заключение к главе 3..............................................91
Глава 4. Волновая модель образования мартенситных кристаллов в
неоднородной среде..............................................93
4.1. Примеры морфологических вариантов наблюдаемых отклонений
профилей кристаллов от типичной пластинчатой формы................94
3
4.2. Описание ряда математических моделей, отражающих влияние неоднородности среды на эффективные коэффициенты затухания управляющих волн................................................101
4.3. Вид профилей кристаллов, получаемых в рамках модели УВП с использованием выбранных вариантов описания неоднородности среды...........................................................104
4.4. Сравнение форм профилей кристаллов, рассчитанных в волновой модели роста мартенсита, с наблюдаемыми.........................110
4.5. Заключение к главе 4..............................................116
Заключение .............................................................119
Литература .............................................................121
4
Введение
Актуальность темы. Построение динамической модели формирования мартенситного кристалла при ярко выраженных структурных переходах первого рода реконструктивного типа в качестве одного из важнейших компонентов должно включать адекватное экспериментальным фактам описание процесса образования регулярной двойниковой структуры. Подобная структура возникает, например, при у — а (ГЦК-ОЦК или ГЦК-ОЦТ) мартенситном превращении в сплавах на основе железа, обладающих относительно низкими температурами М8 начала мартенситной реакции. Важной особенностью у — а мартенситного превращения является сверхзвуковая скорость роста отдельного кристалла, по отношению к скоростям продольных упругих волн. Эта особенность применительно к росту кристалла была объяснена ранее в рамках концепции управляющего волнового процесса (УВП), в качестве компонент которого выступают относительно длинноволновые пучки продольных волн, распространяющиеся в ортогональных направлениях и несущие пороговую деформацию типа растяжение-сжатие. Эти пучки ответственны за формирование габитусной плоскости мартенситного кристалла и характеризуются длинами волн порядка толщины мартенситной пластины. Высказанное ранее предположение о связи двойниковой структуры с коротковолновыми компонентами смещений атомов (длины волн сопоставимы с периодом двойниковой структуры) в предшествующих исследованиях получило лишь частичное развитие и опиралось на ряд недостаточно обоснованных с физической точки зрения гипотез. Поэтому для развития динамической теории мартенситных превращений чрезвычайно актуально создать непротиворечивую модель формирования регулярной двойниковой структуры, совместимую со сверхзвуковой скоростью роста мартенситного кристалла. Корректное
включение в структуру УВП коротковолновых компонент позволило бы развить модель управления ростом реальных мартенситных кристаллов в неоднородной среде.
Цель работы состоит в развитии и совершенствовании концепции волнового процесса, позволяющих перейти к описанию управления ростом реальных мартенситных кристаллов, обладающих тонкой двойниковой структурой и формирующихся в среде, содержащей значимые (мезомасштабные) неоднородности. Достижение этой цели потребовало решения следующих задач.
1. Сформулировать систему волновых уравнений, сопоставляемых процессу наложения пары волновых пучков, нарушающих устойчивость решетки исходной фазы и обеспечивающих сверхзвуковую скорость роста кристалла мартенсита и основной компоненты двойниковой структуры.
2. Обосновать выбор поперечных размеров с11>21 активной ячейки, порождающей распространение длинноволновых составляющих УВП, и уточнить выбор поперечных размеров й1г25 коротковолновой активной ячейки для формирования основной компоненты двойниковой структуры.
3. Дать последовательное обоснование снятия вырождения между двумя вариантами ориентаций границ компонент двойника, как следствия согласованного действия коротковолновых и длинноволновых компонент УВП при инициации процесса бейновской деформации.
4. Рассмотреть модели предпереходного состояния системы, способные, в принципе, описывать сверхзвуковое формирование регулярных двойниковых структур, совместимое со сверхзвуковой скоростью роста кристалла. В том числе, обосновать гипотезу о возможности воспроизведения единственной в начальный момент времени активной
6
коротковолновой ячейки в области бегущего фронта длинноволновой компоненты УВП.
5. Исследовать, в рамках концепции УВП, влияние зависимости эффективного затухания управляющих волн от пространственных координат на форму профиля растущего кристалла для ряда математических моделей, качественно отражающих характер неоднородности.
Научная новизна
1. Предложена система двух волновых уравнений для волновых пучков, распространяющихся в ортогональных направлениях и инициирующих процесс потери устойчивости исходной фазы (аустенита).
2. Впервые обоснован выбор: а) поперечных размеров начального возбужденного состояния решетки на основе концепции гетерогенного зарождения мартенситного кристалла в упругом поле отдельной дислокации и б) поперечных размеров 25 на основе представлений о согласованном распространении длинно- и коротковолновых компонент УВП.
3. Дана детальная интерпретация процесса снятия вырождения между двумя ортогональными вариантами ориентаций границ компонент двойниковой структуры как следствия положительной обратной связи для развития главной бейновской деформации сжатия в решетке, теряющей устойчивость при пороговых деформациях, переносимых УВП.
4. Выполнен сравнительный анализ трех моделей преднереходного состояния решетки, способных описать сверхзвуковой процесс формирования двойниковых структур, совместимый со сверхзвуковой скоростью роста кристалла. Осуществлен выбор, в качестве предпочтительной, модели с единственной активной коротковолновой
ячейкой в начальный момент времени, способной регулярно воспроизводиться в центральной области фронта УВП.
5. На основе динамической модели впервые предложены варианты описания пространственной неоднородности исходной фазы, позволяющие провести расчеты профилей мартенситных кристаллов, образующихся при распространении УВП в неоднородной среде.
Научная и практическая ценность работы. Проведенный в работе анализ и полученные результаты соответствуют развитию нового этапа динамической теории реконструктивных мартенситных превращений в сплавах на основе переходных металлов. Полученная новая информация позволяет расширить возможности реконструкции процесса динамики формирования мартенситного кристалла по набору наблюдаемых морфологических признаков, детальное изучении которых входит в традиционную сферу интересов физического металловедения.
Полученные выводы открывают перспективы как постановки направленных экспериментов по формированию регулярных слоистых структур, так и дальнейшего применения концепции УВП для описания вариантов взаимодействия реальных кристаллов с мезомасштабными неоднородностями среды (границы зерен, включений, пересечения кристаллов).
На защиту выносятся следующие положения.
1. Система двух волновых уравнений для волновых пучков, распространяющихся в ортогональных направлениях и инициирующих процесс потери устойчивости исходной фазы (аустенита).
2. Обоснование выбора: а) поперечных размеров с£1/2* начального возбужденного состояния решетки — на основе концепции гетерогенного зарождения мартенситного кристалла в упругом поле отдельной
8
дислокации и б) поперечных размеров d12s — на основе представлений о согласованном распространении длинно- и коротковолновых компонент УВП.
3. Интерпретация процесса снятия вырождения между двумя ортогональными вариантами ориентаций границ двойниковой структуры как следствия положительной обратной связи для развития главной бейновской деформации сжатия в решетке, теряющей устойчивость при пороговых деформациях, переносимых УВП.
4. Сравнительный анализ трех моделей предпереходного состояния решетки, способных описать сверхзвуковой процесс формирования двойниковых структур, совместимый со сверхзвуковой скоростью роста кристалла. Выбор, в качестве предпочтительной, модели с единственной активной коротковолновой ячейкой в начальный момент времени, способной регулярно воспроизводиться в центральной области фронта УВП.
5. Модельные варианты описания пространственной неоднородности исходной фазы, эффективные затухания волновых компонент (входящих в состав УВП) и характерные типы расчетных профилей мартенситных кристаллов, образующихся при распространении УВП в неоднородной среде.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на
XLIV Международной конференции «Актуальные проблемы прочности»
(Вологда, 2005 г.), Международной конференции ESOMAT 2006
(Bochum/Germany, 2006 г.), XLVI Международной конференции «Актуальные
проблемы прочности» (Витебск, 2007 г.), XVII Петербургских чтениях по
проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2007 г.), XVII Международной
конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара,
2009 г.), Международном симпозиуме «Перспективные материалы и
9
технологии» (Витебск, 2009 г.), Бернштейновских чтениях по термической обработке металлических материалов (Москва, 2009 г.), XI Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 2010).
Достоверность результатов работы базируется на тщательном анализе имеющихся литературных источников, прозрачности используемых физических аргументов, внутренней непротиворечивости работы и соответствии полученных выводов наблюдаемым экспериментальным фактам.
Личный вклад автора. Ыа всех этапах работы (критический литературный обзор, постановка задачи, получение результатов и их интерпретация) автором внесен значимый вклад.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 131 странице машинописного текста, включая 37 рисунков, 3 таблицы и список литературы, содержащий 104 наименования.
10
Глава 1. Информация, существенная для постановки задачи
исследования
1.1. Основные представления о реконструктивных мартенснтных превращениях (на примере у—а превращения в сплавах на основе железа)
Напомним наиболее важные экспериментальные факты и существующие теоретические подходы, относящиеся к реконструктивным мартенситным превращениям, ярким примером которых служит у — а мартенситное превращение в сплавах на основе железа. При таких превращениях, протекающих с явно выраженными признаками перехода I рода, симметрии исходной и конечной фаз не связаны соотношением соподчинения.
1.1.1. Характерные признаки у — а маргеиситного превращения
Кристаллическая решетка аустснита имеет ГЦК структуру, а низкотемпературная фаза имеет ОЦК решетку для сплавов замещения (Ре-Ыц Ре-Мп) и ОЦТ решетку для сплавов внедрения (Рс-С, Ре-Ы). Важно отметить, что величина тетрагонапьности растет с концентрацией внедренного компонента.
Мартенситное превращение можно рассматривать как переход без изменения состава, подобный фазовым переходам в однокомпонентной системе. Для переходов первого рода температура равновесия фаз определяется равенством свободных энергий Гельмгольца, а необходимость затрат энергии на создание границы раздела фаз приводит к явлениям переохлаждения (для прямого МП) и перегрева (для обратного МП). Типичные значения температурного гистерезиса велики и достигают (А5-М5) « 40 О К, то есть
- Київ+380960830922