Влияние многократных мартенситных ГЦК=ГПУ переходов и других видов термических воздействий на кристаллическую структуру мартенсита в сплавах с низкой энергией дефектов упаковки

2.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ............................................... б
Глава I.ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.................................... 12
1.1. Мартенситное превращение, природа и его особенности.................................................... 12
1.2. Кристаллические решетки мартенситных фаз 14
1.3. Взаимосвязь энергии дефектов упаковки с титаном мартенситного превращения................................ 17
1.4. Особенности мартенситного. превращения в сплавах
с энергией дефектов упаковки........................ 18
1.4.1. Механизм перестройки при ГЦК ГПУ и. ОЦК — ГПУ превращениях............................................... 20
1.4.2. Многослойные мартенситные структуры и. роль дефектов упаковки при: их образовании:....................... 24
1.5. Политипизм и ОД структуры........................... 30
1.6. Мартенситные политипы в системах на основе кобальта.................................................. 34
1.7. Мартенситные многослойные структуры в сплавах Ре-Мп-С.................................................. 36
1.8. Влияние фазового наклепа на структуру и некоторые свойства, в сплавах с высокой и низкой энергией дефектов упаковки................................... 39
1.8.1. Фазовый наклеп в сплавах с высокой ЭДУ............. 40
1.8.2. Влияние фазового наклепа, в сплавах с низкой
энергией дефектов упаковки.......................... 47
1.9. Теория политипов.......................................... 54
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА...................
1. Выплавка сплавов и приготовление образцов...........
2. Рентгеновский метод исследования....................
1. Методика расчета многослойных политипных структур....................................................
2. Определение симметрии решетки мартенситных структур....................................................
3. Определение параметров кристаллической решетки: многослойных структур..................................
4. Определение координат атомов элементарной ячейки......................................................................
5. Вычисление величины структурного фактора многослойных решеток........................................
3. ВЛИЯНИЕ МНОГОКРАТНЫХ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ НА КРИСТАЛЛИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ МАРТЕНСИТА В ЧИСТОМ КОБАЛЬТЕ, В ДВОЙНЫХ СПЛАВАХ КОБАЛЬТА С НЕОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ ЛЕГИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА................
1. Изменение кристаллической структуры и свойств Со в результате многократных С ^ 55 <*- ) ГНК ГПУ переходов..............................................
2. Влияние многократных мартенситных переходов на кристаллическую структуру мартенсита, в сплавах Со-Мп, Со-А// .........................................................
3. Система, Со-Мп......................................
4. Влияние многократных мартенситных переходов на кристаллическую структуру мартенсита в сплавах Со-Ре...................................................................
5. Влияние углерода и меди на кристаллическую структуру мартенсита; в сплавах Со-Ре: после закалки и
4.
фазового наклепа....................................... 92
Глава 4. ВЛИЯНИЕ: ФАЗОВЫХ ГЦК = ГПУ ПЕРЕХОДОВ, ЗАКАЛКИ НА КРИСТАЛЛИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ МАРТЕНСИТА В СИСТЕМЕ (ВНЕДРЕНИЯ) Со-С.................................................. 98
4.1. Многослойные структуры в систем Со-С после резкой закалки.................................................. 100
4.2. Влияние многократных ГЦК = ГПУ переходов на кристаллическую структуру мартенсита........................... 103
Глава 5. ОСОБЕННОСТИ МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ В КОБАЛЬТОВЫХ СПЛАВАХ С ОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ ЛЕГИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА (СИСТЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ Co-Та, Co-Nb ). III
5.1. Мартенситное превращение в сплавах Co-Та, подвергнутых закалке, старению и многократным мартенсит-шш переходам..................................................III
5.1.1. Расчет кристаллической решетки: od;- мартенсита... 120
5.1.2. Влияние многократных мартенситных переходов на кристаллическую структуру мартенсита в сплавах Co-Та...........................................................123
5.2. Мартенситное превращение в сплавах Co-Nb , подвергнутых закалке, старению и фазовому наклепу... 133
5.2.1. Кристаллическая структура мартенсита....................133
5.2.2. Механизм ГЦК -► N В превращения и закономерность-образования многослойных мартенситных фаз в сплавах Co-Nb ......................................................148
5.2.3. Влияние многократных ГЦК ГПУ переходов на. кристаллическую структуру мартенсита...............................151
Глава б. ПЛОТНОУПАКОВАШШЕ МАРТЕНСИТНЫЕ'СТРУКТУРЫ В СПЛАВАХ
Ге-Мп-С................................................ 156
5.
6.1. Мартенситные фазы с плотноупакованными структурами в сплавах на основе Fe-Mn-C.......................... 156
6.2. Возможный механизм влияния многократных превращений на смену типа мартенситного превращения в сплавах с НЭДУ......................................... 164
ВЫВОДЫ................................................. '168
ЛИТЕРАТУРА.............................................. 170
6.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Одной из основных задач физики; твердого тела является создание новых материалов с повышенными физикохимическими свойствами. Для этой цели в ряде случаев используют фазовые превращения, протекающие при закалке и деформации стали, а также превращения в аустените, подвергнутого предварительному старению и фазовому наклепу за счет прямых и обратных мартенсит-ных переходов.
Изучению фазового наклепа в сплавах с высокой энергией дефектов упаковки (ВЭДУ) посвящено много работ, в том числе и одна монография, в которой обобщены основные; достижения в этой области Уральской школы металловедов. Согласно данным; этой школы в результате многократных ГЦК =т ОЦЕС превращений происходит упрочнение £ -твердого раствора и существенно увеличивается предел текучести при сохранении, хороших пластических свойств, однако. симметрия кристаллической ОЦК-решетки: с/- -мартенсита при этом не изменяется.
Менее изучено влияние многократных мартенситных переходов в сплавах с низкой энергией дефектов упаковки (НЭДУ). По данным работ Богачева, Шумана, Лысака, Николина; и. других авторов многократные £ переходы в сплавах Ре-Мп, обладающих НЭДУ, незначительно влияют на прочностные характеристики. Однако, если эти сплавы легировать углеродом, то кроме указанных выше эффектов наблюдается изменение симметрии; кристаллической структуры мартенсита, а именно вместо 2Н образуется многослойная решетка;.
Исследование многослойных мартенситных структур типа
7.
имеет важное научное и арктическое значение. В научном плане изучение таких фаз, которые представляют собой промежуточные структуры, позволяег представить перестройку кристаллических решеток при мартенситном превращении: на атомном уровне и тем самым вскрыть кристаллогеометрический механизм бездиффузионно-го превращения. В прикладном аспекте благодаря особенностям фазового превращения, обусловленного НЭДУ, можно получить нужные для прктики; свойства сплавов.
Образование многослойных структур согласно представлениям, развиваемых в работах Николина, связывают с образованием: концентрационных или фазовых неоднородностей в матричной фазе. Очевидна, что такие неоднородности можно получить также при многократных мартенситных ГЩС ~ ГПУ переходах, протекающих при: циклических нагревах до З00-И00°с и охлаждениях.
Цель работы. В диссертационной работе была поставлена; задача изучить влияние многократных мартенситных ГЦК лг ГПУ переходов, а также других видов термической обработки на кристаллическую структуру мартенсита в сплавах с НЭДУ.
Исследование проводилось на монокристальных образцах. В качестве объектов исследования были взяты чистый Со, кобальтовые сплавы Со-С, Со-Та, Со-ЫЬ , а также сплавы Ре-Мп-С. Автором лично проведены все экспериментальные исследования, расшифрованы ранее не встречающиеся в этих и других сплавах кристаллические решетки, а также выполнено моделирование на ЭВМ различных многослойных плотноупакованных структур.
Научная новизна. Впервые показано, что в сплавах с НЭДУ и ограниченной растворимостью легирующего элемента - сплавах замещения Со-Та, Со-№Ь - в результате многократных мартенситных
ГЦК ~ ГПУ переходов создаются такие структурные изменения (концентрационные неоднородности), которые приводят к образованию при последующем охлаждении одной многослойной мартенситной 14Т структуры. В сплавах внедрения Со-С, подвергнутых многократным
переходам, формируется сильно'разупорядоченная (по укладке плотноупакованных плоскостей) мартенситная структура. Построены метастабильные диаграммы состояний: температура-фаза-концентрация легирующего элемента системы Со-С после закалки из ^-области, сплавов Со-Та, Со-ЫЬ после закалки из ^-области, старения при различных температурах, а также многократных фазовых ГЦК ГПУ переходов.
Практическая ценность работы. Полученные данные о влиянии концентрационных неоднородностей на механизм формирования кристаллической структуры мартенсита при различных воздействиях матричной фазы, а также построенные метастабильные диаграммы состояния вносят научный вклад в теорию фазовых превращении в металлах и сплавах. В прикладном аспекте эти результаты могут использоваться для разработки- и получения сплавов1 с заданными свойствами.
Положения, выносимые на защиту :
1. В двойных кобальтовых сплавах с низкой энергией дефектов упаковки и ограниченной растворимостью легирующего элемента: при многократных фазовых ГЦК =г ГПУ переходах в ^8-фазе образуются такие структурные изменения, которые приводят к формированию только одной многослойной мартенситной 14Т структуры.
2. Впервые в монокристаллах Со-С обнаружена 7Т-£ структура, которая является "базовой" структурой некоторых многослойных мартен-ситных фаз, образующихся в сплавах Со-ИЬ , Со-Та, Со-Си.
Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и спис-
ка литературы.
В первой главе кратко изложены общие закономерности мартен-ситного превращения. Основное внимание уделяется многослойным кристаллическим структурам в сплавах с низкой энергией дефектов упаковки.
Во второй главе приведены материалы и методики исследования, которые использовались при расшифровке новых многослойных мартен-ситных структур.
В третьей главе изложены оригинальные результаты изучения влияния многократных мартенситных ГЦК = ГПУ переходов на кристаллическую структуру мартенсита в сплавах Со-Мп, Со-Мі , Со-Ре. Установлено, что в результате переходов (нагрев до
400°С и охлаждение до -19б°С) в этих системах с увеличением числа циклов происходит уменьшение количества оС -мартенсита и стабилизация высокотемпературной ,^-фазы, однако симметрия кристаллической решетки ГПУ не изменяется.
Если сплавы Со-Ре легировать третьим элементов, который имеет ограниченную растворимость в кобальте (в качестве таких элементов были взяты медь и углерод), то в результате многократных мартенситных переходов образуется многослойная мартенситная І4Т структура.
В четвертой главе представлены результаты изучения кристаллической структуры в сплавах внедрения с ограниченной растворимостью легирующего элемента Со-С, после резкой закалки от 1200°С в воде, а также после многократных мартенситных ГЦК ^ ГПУ переходов. На основании полученных рентгеновских данных была построена метастабильная фазовая диаграмма, состояний.
Впервые в этой системе обнаружена и полностью расшифрована новая многослойная мартенситная оС -фаза. Показано, что <& -мар-
ю.
тенсит имеет 7Т| решетку с чередованием слоев АВСАСАС...
На основании полученных результатов предложен сдвиговой механизм перестройки: аустенита в 7Т^-решетку с посощью появления периодических групповых дефектов упаковки; в ГЦК-решетке.
Многократные мартенситные ГЦК~ ГПУ переходы приводят к образованию сильно разупорядоченной мартенситной структуры, которую можно рассматривать как набор беспорядочно упакованных плоскостей типа (III)-, или как смесь нескольких плотноупакованных
гцк
N1* С N Т)-структур.
В пятой главе исследованы закономерности образования многослойных структур в системах замещения Со-Та и Со-ИЬ в зависимости от концентрации легирующих элементов, температуры и времени: старения, а также от числа мартенситных ГЦК ~ ГПУ переходов.
На основании рентгеновских данных построены метастабильные диаграммы для этих систем после закалки и старения. Установлено, что старение в ^3 -фазе оказывает существенное влияние на кристаллическую структуру мартенсита;, возникающего при последующем охлаждении. Указаны три температурно-концентрационные области, сплавов, старение в которых оказывает различное влияние на последующее мартенситное; превращение. Установлено, что в монокристаллах Со+&г10$ Та после предварительного старения образуются различные многослойные структуры: 15Я^ и 126В С42Т) и 138Я (46Т).
В монокристаллах Со-МЬ в зависимости от содержания № , температуры и времени старения также образуется несколько многослойных мартенситных структур: 15В, 126В (42Т), 1*ЙВ (48Т).
Расшифрована ТЗВ^структура, определены параметры, чередование плотноупакованных слоев. В результате; многократных мартенситных ГЦК ~ ГПУ переходов в этих системах образуется только: одна многослойная мартенситная 14Т структура.
В шестой главе приведены результаты исследования многократных ГЦК ~ ГПУ мартенситных переходов на кристаллическую структуру мартенсита в сплавах Ре-Мп-С. Установлено, что в сталях в результате ГЦК ГПУ переходов образуется одна ІЖ^ мартенситная структура.
В заключение этой главы рассматривается возможный механизм влияния многократных ГЦК ~ ГПУ превращений на смену типа мартен-ситного превращения в сплавах с НЭДУ.
В итоге сформулированы основные: выводы следующие из анализа результатов работы.
ГЛАВА I.
12.
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Мартенситное превращение, природа и его особенности.
Мартенситным, превращением впервые стали называть превращение, протекающее при закалке стали, продуктом которого является специфическая игольчатая структура, получившая название мартенсит. В результате многочисленных исследований установлено, что мартенситное превращение первого рода и является основным; фазовым превращением в твердом теле. Это превращение наблюдается во многих металлах и сплавах, в минералах и в органических кристаллах. Рентгеноструктурные данные о кристаллической структуре мартенситных фаз в стали и в медных сплавах /I - 3/ показали, что превращение протекает без изменения концентрации исходных фаз и состоит только в изменении решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояние, не превышающее межатомное. Эта характеристика является наиболее исчерпывающей.
В конце ЧО-ых годов Г.В.Курдюмов сформулировал следующие основные характеристики мартенситного превращения / 3 /.
1. Превращение аустенита в мартенсит заключается только в изменении решетки, твердого раствора. Оно происходит без изменения концентрации и не требует диффузионных процессов для своего протекания. Превращение аустенита в мартенсит является бездиффузионным.
2. ^ превращение характеризуется наличием строгой крис-
таллогеометрической связи между решетками мартенсита и исходного аустенита.
3. Образование мартенсита происходит при значительных переохлаждениях исходной фазы в широком интервале температур;. Температу-
13.
ра, при которой оно начинается называется мартенситной точкой М , которая зависит от химического состава, и не зависит от скорости охлаждения. Ход превращения можно характеризовать мартенситной кривой, представляющей собой зависимость количества образовавшегося мартенсита от температуры.
4. Превращение протекает путем; практически мгновенного образования отдельных кристаллов мартенсита. Время образования каждого
_7
кристалла 10 сек. Количество мартенсита увеличивается за счет появления новых кристаллов, а не за счет уже возникших.
5. Выше мартенситной точки превращение может быть вызвано пластической деформацией аустенита, при этом количество мартенситной фазы уменьшается по мере удаления от М5 . Выше некоторой температуры Т0 деформация не вызывает мартенситного превращения, а ниже М5,
она способствует увеличению количества мартенсита.
В результате экспериментального изучения мартенситного превращения была предложена теория /4-8/, которая считала, что причиной и движущей силой мартенситного превращения являются только внутренние напряжения. Однако, она не могла объяснить протекание изотермического У -~оС превращения в сталях и сплавах на основе железа / 9 /. Согласно теории, созданной Курдюмовым Г.В. /3,
10 - II/, мартенситное превращение рассматривается как фазовое превращение в однокомпонентной системе подобно полиморфным превращениям. в чистых металлах. В основе теории мартенситного превращения лежат термодинамические принципы, фазового превращения, перенесенные им из теории кристзллизации жидкостей однокомпонентных систем. Движущей силой мартенситного превращения является разность свободных энергией /Г и оС-фаз. Пересечение, кривых температурной зависимости свободной энергии обеих фаз определяет температуру равновесия Т0 , выше которой стабилен аустенит, а ниже Т0 -
14.
стабилен мартенсит (рис.1). Мартенситное превращение происходит путем образования и роста зародышей мартенсита.
Отсутствие диффузионных перемещений атомов является необходимым, но не достаточным условием мартенситного превращения. Решающим фактором мартенситного превращения является сопряженность (когерентность) решетки, то есть непрерывный переход решетки: исходной фазы на границе растущего кристалла в решетку мартенсита.
При такой упорядоченной кооперативной перестройке решетки атомам необходимо преодолевать значительно меньшие энергетические барьеры при переходе в новое положение, для чего требуется сравнительно небольшая энергия активации и процесс может протекать быстро при температурах, при которых другие процессы замораживаются.
Бездиффузионный характер мартенситного превращения и когерентность кристаллических решеток исходной и мартенситной фаз - позволяют объяснить те отличительные особенности мартенситного превращения, которые первое время воспринимались как необычные: большую скорость образования и роста кристаллов мартенсита, атермичес-кий и изотермический характер мартенситного превращения, появление рельефа на поверхности шлифа, быстрое затухание процесса превращения при достижении; заданной температуры, бездиффузионный характер обратного мартенситного превращения и др. Все это позволило предсказать и впоследствии обнаружить такое явление, как термоупругое равновесие / 12 /, которое лежит в основе эффекта памяти формы, сверхупругости и сверхпластичности /13, 14/.
1.2. Кристаллические решетки мартенситных фаз.
Перечисленные выше особенности являются наиболее общими для мартенситных превращений. Однако в каждой системе имеются свои особенности, которые не наблюдаются в других системах. К таким
15.
Рис.1. Схематическое изображение зависимости и ^с. от
температуры для сплава на основе железа.
16.
особенностям можно отнести, например, типы кристаллических решеток исходной и мартенситной структуры, кинетику превращения, морфологию кристаллов мартенсита, их субструктуру, наличие термоупругого мартенсита / 15 / и др.
Следует отметить, что в настоящее время только в металлах и сплавах насчитывается 15 различных типов превращения / 16 /, причем: наиболее распространенными являются следующие: ГЦК -•■ ОЦК,
ГЦК -•> ГПУ, ОЦК ГПУ. Первое из этих превращений имеет место в железе и его сплавах, в сталях, причем по сравнению с другими превращениями оно изучено наиболее полно, так как мартенситное превращение лежит в основе закалки стали, которая имеет весьма большое практическое значение.
Основными мартенситными фазами сплавов на основе железа являются с* , <?, £, - мартенсит / 17 /. оС- мартенсит
может образовываться с ОЦК, ОЦТ и ОЦР решетками. Долгое время считалось, что этот мартенсит в сталях является единственным, однако рентгенографические исследования кристаллической структуры железомарганцевых сплавов показали, что кроме ОС- мартенсита образуется мартенситная фаза с ГПУ решеткой С £ - мартенсит)/18/. В дальнейшем £ - мартенсит был обнаружен и в других сплавах /19-22/. В марганцевых сталях была обнаружена мартенситная фаза £ - мартенсит с необычной для металлов 18 слойной решеткой /23/.
р'
с - мартенсит также.' как кованную структуру и образуется до температур ниже комнатных /23/.
Ж - мартенсит имеет ОЦК и ОЦР решетки. В / 17 / показано, что мартенситные фазы в сплавах на основе железа образуются в следующей последовательности: $ —>'0** Мартен-
ситное превращение ГЦК ГПУ имеет место в сплавах на основе Превращения ОЦК -*• ГПУ известны как литиевые превращения и обна-
и ¥ - фазы имеет плотноупа-