Теория термической 
обработки
Отжиг второго рода
1
ОТЖИГ ВТОРОГО РОДА
Отжиг 2-го рода основан на использовании диффузионных (нормальных) фазовых превращений при охлаждении металлов и сплавов.
Принципиальную возможность применения к сплаву отжига 2-го рода можно установить по диаграмме состояния.
Основные параметры отжига 2-го рода: температура нагрева, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения.
2
ТЕРМОДИНАМИКА ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
Равновесное состояние характеризуется минимальным значением свободной энергии. Свободная энергия (или изохорно-изотермный потенциал), являющаяся
характеристической функцией системы, определяется следующим соотношением:
F = U – TS,
где U – внутренняя энергия; S – энтропия;
Т – абсолютная температура.
Зависимость свободной энергии двух фаз от температуры
С ростом температуры свободная энергия всегда уменьшается, а. кривые, показывающие зависимость свободной энергии фаз от температуры, должны быть обращены вогнутостью к оси температур.
Точка пересечений кривых показывает равенство свободных энергий двух фаз и соответствует температуре их устойчивого равновесия (Т0).
При охлаждении β-фаза должна при температурах ниже Т0 превратиться в α-
фазу. 3
Температура превращения при охлаждении лежит ниже, чем температура
обратного фазового превращения при нагреве. Это явление называется тепловым гистерезисом превращения.
Разность между температурой устойчивого равновесия двух фаз (Т0) и
фактической температурой превращения при охлаждении называется степенью переохлаждения (ΔТ).
Зависимость свободной энергии двух фаз |
Зависимость скорости зарождения |
от температуры |
центров и линейной скорости роста |
|
перлитных колоний от степени |
|
переохлаждения в стали с 0,8% С |
|
4 |
Изменение свободной энергии при образовании частицы новой фазы
ΔF= –ΔFоб. + ΔFпов или
F = –VΔf + sγ или ΔF = –a3Δf + 6а2γ,
Так как Δf и γ постоянны для данной температуры Т1 то ΔF является функцией
размера кристалла .
Центрами кристаллизации являются только способные к самопроизвольному росту зародыши новой фазы, имеющие размеры не меньше некоторой критической величины aкр.
акр = 4γ/Δf.
Зависимость изменения свободной
энергии при образовании кристалла от его размера (Т2<Т1)
5
На образование критического зародыша затрачивается работа (+ΔFкр), так
как образуется поверхность раздела фаз
ΔFкр= – акр3Δf + 6акр2sγ или
ΔFкр=32 γ3/ (Δf) 2
Работу образования критического зародыша при заданном переохлаждении
можно выразить через поверхностную энергию. |
|
|
||||
|
|
Т.к. |
Δf = 4γ/акр |
то |
||
ΔF |
кр |
= – а |
34γ/а |
+ 6а |
кр |
2γ или |
|
кр |
кр |
|
|
||
ΔFкр = 1/3 sγ
Таким образом, работа образования критического зародыша равна одной трети его поверхностной энергии. Остальные две трети поверхностной энергии компенсируются уменьшением объемной свободной энергии.
Отклонение энергии от среднего значения называется флуктуацией энергии.
Флуктуационное повышение энергии в группе атомов материнской фазы может обеспечить работу образования критического зародыша. Критический зародыш образуется там, где участок материнской фазы размером6 не меньше критического обладает повышенной энергией не ниже определенного уровня.
Во время превращения в твердом состоянии действует еще один фактор, затрудняющий зарождение центров превращения. Новая фаза всегда отличается от исходной структурой и удельным объемом. Так как превращение развивается в упругой кристаллической среде, то изменение удельного объема при этом вызывает появление энергии упругой деформации в одной или обеих фазах.
ΔF = - ΔFоб + ΔFпов + ΔFупp
Скорость зарождения центров и линейная скорость роста кристаллов определяют суммарную скорость фазового превращения.
Зависимость средней скорости фазового |
Зависимость средней скорости фазового |
превращения от степени переохлаждения |
7 |
превращения от степени перегрева |
При фазовых превращениях в сплавах образующаяся фаза очень часто отличается по химическому составу от исходной фазы. Поэтому для образования
критического зародыша недостаточно энергетической флуктуации, необходима еще флуктуация концентрации. В твердом растворе при определенном среднем
химическом составе имеются участки с большим и меньшим содержанием того или иного компонента. Очевидно, чем больше отклонение от среднего состава и больше размер участка с таким отклонением, тем меньше вероятность концентрационной флуктуации в пределах исходной фазы. Например, чтобы в аустените эвтектоидного состава (0,8% С) образовался зародыш цементита, содержащего 6,67% С, необходимо местное повышение концентрации углерода примерно в восемь раз. В аустените появляются такие участки, богатые и бедные углеродом.
Необходимость флуктуации концентрации в добавление к флуктуации энергии затрудняет образование центров новой фазы, особенно в тех случаях, когда составы исходной и новой фаз сильно различаются.
8
Роль строения межфазных границ при фазовых превращениях
Схемы строения когерентной (а) и полукогерентной (б) границ между кристаллами фаз α и β.
Различают три типа межфазных границ: когерентные, полукогерентные и некогерентные.
Когерентная межфазная граница возможна только на сравнительно небольшой
поверхности раздела фаз и тем меньшей, чем больше несоответствие их решеток. Межфазную границу, имеющую в строении структурные дислокации или
дислокации несоответствия, называют полукогерентной. Чем больше степень несоответствия решеток, тем выше плотность дислокаций на полукогерентной границе.
При большой степени несоответствия решеток двух фаз расстояние между структурными дислокациями настолько уменьшается, что они теряют свою индивидуальность (их ядра сливаются). Такая межфазная граница называется
некогерентной. |
9 |
Схемы строения когерентной (а) и полукогерентной (б) границ между кристаллами фаз α и β.
Кристаллическая решетка зародышей, отделенных от исходной фазы когерентной или полукогерентной границей, всегда кристаллографически ориентирована определенным образом по отношению к решетке исходной фазы.
Ориентированное превращение подчиняется общей закономерности (принцип ориентационного и размерного соответствия или принцип Данкова- Конобеевского): «Химическое превращение на поверхности твердого тела
развивается таким образом, чтобы конфигурация атомов исходной твердой фазы сохранялась (или почти сохранялась) и в новой твердой фазе. Возникающая при указанном процессе кристаллическая решетка новой фазы сопрягается с кристаллической решеткой исходной фазы подобными кристаллическими плоскостями, параметры которых отличаются друг от друга минимально».
Принцип структурного соответствия дает объяснение формированию
видманштеттовой структуры. |
10 |