Тема 13.2.Образование квазиэвтектоида и мартенситных фаз в сплавах с полиморфными превращениями

При наличии в сплавах эвтектоидного превращения применение очень больших степеней переохлаждения предпочтительным механизмом распада переохлажденного твердого раствора (аустенита) становится тот, для которого необходимо осуществление диффузии на минимальные расстояния. Конечно же, это механизм эвтектоидного превращения. При этом избыточное количество той или иной фазы (феррита или цементита) выделяется прямо в составе «эвтектоидной» колонии, увеличивая толщину соответствующей пластинки. В структуре доэвтектоидной стали при образовании квазиэвтетоида увеличивается соотношение между фазами в сторону большего содержания характерной для нее избыточной фазы (феррита) и растет толщина пластинки феррита в квазиэвтектоиде по сравнению с обычной эвтектоидной (перлитной) структурой. В заэвтектоидной стали, наоборот, оказываются более толстыми цементитные пластинки в составе колонии, и увеличивается количество цементита по сравнению с нормальным строением перлитной колонии.

Рис. 13.1. Концентрационный интервал формирования квазиэвтектоидных структур в системе железо углерод в условиях переохлаждения (Т)

Полное подавление выделения избыточной фазы в связи с образованием квазиэвтектоидных структур возможно лишь в сталях, близких по составу к эвтектоидной. Причем чем больше степень переохлаждения, тем в большем интервале концентраций углерода в аустените будет обеспечиваться образование квазиэвтектоида. Ширина интервала концентраций, обеспечивающих формирование квазиэвтектоидных структур, может быть описана точками пересечения продолжений линий GS и SE диаграммы железо - углерод с горизонталью, соответствующей температурным условиям переохлаждения (рис. 13.1, интервал концентраций c-d).

При быстром охлаждении с температуры, превышающей критическую, полиморфных металлов и сплавов на их основе (железо, титан, кобальт и др.), а также сплавов на основе некоторых неполиморфных металлов, испытывающих эвтектоидные превращения в условиях равновесия, подавляется обратное диффузионное превращение, однако не предотвращается перестройка кристаллической решетки из высокотемпературной фазы в низкотемпературную.

Такая перестройка происходит с большими скоростями путем бездиффузионного послойного кооперативного присоединения атомов вещества от исходной высокотемпературной фазы к образующимся быстрорастущим зародышам низкотемпературной модификации по особому механизму, который лежит в основе мартенситного превращения.

Тема 13.3. Образование пересыщенных твердых растворов и их распад

Образование пересыщенных твердых растворов возможно в сплавах, содержащих твердый раствор с переменной ограниченной растворимостью компонентов, понижающейся при уменьшении температуры. В этом случае быстрое охлаждение сплава с температур, обеспечивающих растворение избыточной фазы в основном твердом растворе, подавляет обратное выделение стабильной избыточной фазы. При этом в структуре сплава после быстрого охлаждения фиксируется твердый раствор с концентрацией, соответствующей высокотемпературным условиям фазового равновесия. Поскольку при комнатной температуре равновесная растворимость легирующего компонента в твердом растворе ниже, чем зафиксированная при быстром охлаждении с высокой температуры, то полученный твердый раствор оказывается пересыщенным и сохраняет тип кристаллической решетки, соответствующий исходному высокотемпературному состоянию. Кроме пересыщения твердого раствора легирующими компонентами, структура сплава имеет повышенную концентрацию точечных дефектов (вакансий).

Степень пересыщения определяется отношением содержания растворенного компонента в пересыщенном твердом растворе, зафиксированном быстрым охлаждением, к его равновесной растворимости при комнатной температуре. Состояние сплавов после быстрого охлаждения можно охарактеризовать понятием метастабильного пересыщенного твердого раствора.

Часто в результате быстрого охлаждения сплавы оказываются настолько метастабильными, что начальные стадии распада твердых растворов могут частично проходить либо непосредственно при охлаждении, либо при комнатной температуре сразу после него и протекают сравнительно медленно. Распад пересыщенных твердых растворов является термически активируемым процессом, в связи с чем он происходит в несколько последовательных стадий, очередность которых определяется температурой и длительностью теплового воздействия:

- образование микронеоднородностей твердого раствора, обогащенных атомами растворенного вещества;

- образование зон твердого раствора с упорядоченным расположением атомов растворенного вещества в виде тонких дисков, когерентных с матрицей;

- образование и последующий рост зародышей метастабильной избыточной фазы с собственной кристаллической решеткой, отличной от решетки матричного твердого раствора;

- образование зародышей стабильной фазы и их рост, сопровождающийся обеднением пересыщенного твердого раствора вплоть до равновесных концентраций;

- коагуляция частиц выделившейся стабильной фазы.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы условия протекания фазовых превращений в твердом состоянии?

2. В чем состоит принцип структурного и размерного соответствия?

3. Каковы условия протекания нормального или диффузионного полиморфного превращения?

4. Назовите условия протекания мартенситного превращения в сплавах с полиморфным превращением?

5. В каких сплавах возможно формирование квазиэвтектоида?

6. Как получают пересыщенные твердые растворы?

7. Как происходит и чем обусловлен их распад?