зана иллюстрирующий данный процесс диаграмма растяжения и последующей разгрузки в монокристалле дисперсионностареющего сплава системы Cu-Al-Co [4]. Видно, что наблюдается аномальна большая обратимая деформация. Температура не вносит в этот процесс каких-либо качественных изменений, поскольку по своей сути он имеет чисто механическую природу (ключевым является противодействие внешних и внутренних напряжений).

σ,

кг/ мм2 60

40

20

1 2 3 ε, %

Рис. 1.7. Диаграмма растяжения дисперсионно-стареющего монокристалла сплава Cu-Al-Co при T = 196 oC [4]

1.3. Мартенситные превращения

Как известно, многим металлам и сплавам свойственно явление полиморфизма – в различных термодинамических условиях они имеют разную кристаллическую решетку. Стимулом к полиморфному фазовому переходу является энергетическая выгодность: при заданных температуре и давлении реализуется структура, соответствующая минимуму свободной энергии.

Перестройка решетки может осуществляться путем диф-

фузионного либо бездиффузионного превращения. Первый слу-

чай характерен для высоких температур и высокой диффузионной подвижности атомов. Каждый отдельный атом покидает ис-

15

ходную позицию, и, смещаясь на расстояния, значительно превышающие межатомные, занимает новое положение в образующейся решетке. При этом он полностью или частично меняет своих соседей. Аналогичным образом происходит перестройка при изменении температуры в обратную сторону. При диффузионном превращении, очевидно, не происходит деформации (траектории отдельных атомов никак между собой не согласованы). Кроме того, такое превращение является необратимым: после обратной перестройки решетки исходная конфигурация конкретных атомов не восстанавливается, они «не помнят» своих соседей.

При низких температурах, когда диффузия атомов почти отсутствует, возможен бездиффузионный способ перестройки решетки. Такое превращение наблюдается при закалке стали из высокотемпературной аустенитной области, в результате которой образуется структура мартенсита (по имени немецкого металловеда А. Мартенса), состоящая из твердых пластинчатых или линзообразных областей. В этих областях в зернах аустенита произошла перестройка из ГЦК-структуры в ОЦК или ОЦТ решетку мартенсита.

Термин «мартенсит» изначально означал мелкоигольчатую структуру, наблюдавшуюся в сталях после закалки. Позже значения этого термина было уточненоα : мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. Изучение механизма образования мартенсита в сталях привело к созданию теории мартенситного превращения [3].

В настоящее время термины «аустенит», «мартенсит» и «мартенситное превращение» употребляются в значительно более широком смысле, поскольку подобные бездиффузионные сдвиговые превращения были обнаружены во многих чистых металлах, сплавах, керамиках, минералах, полимерах [1-4]. Исходную высокотемпературную фазу при таких превращениях обычно называют аустенитом, низкотемпературную– мартенситом.

16

Схема перестройки кристаллической решетки при мартенситном превращении показана на рис. 1.8. При бездиффузионном превращении атомы кооперативно, без разрыва межатомных связей перемещаются из исходных положений в решетке аустенита к новым положениям в решетке мартенсита. Данное перемещение носит характер сдвига (рис. 1.8, б) и приводит к деформации областей сплава, испытавших превращение. Эту деформацию можно зафиксировать экспериментально по появлению рельефа на предварительно отполированной поверхности образца (рис. 1.9).

г

Рис. 1.8. Схематичное представление перестройки аустенитной решетки (а) в мартенсит (б) при охлаждении, включая дополнительную внутреннюю деформацию пластин мартенсита путем скольжения (в) или двойникования (г)

Указанное изменение формы при мартенситном превраще-

нии представляет собой деформацию с инвариантной плоско-

стью, и данная плоскость является плоскостью габитуса (поверхность раздела между исходной и конечной фазами). Деформацию с инвариантной плоскостью можно описать как однородное искажение, при котором смещение любой точки осуществ-

17

ляется в одном направлении и пропорционально расстоянию от фиксированной инвариантной плоскости, на которую не влияет деформация [1].

Рис. 1.9. Образование рельефа на поверхности образца

врезультате мартенситного превращения (ГЦК->ОЦК)

всплаве Fe-21.5% Pt (оптическая микрофотография) [1]

На рис. 1.10 представлена схема деформации с инвариантной плоскостью. Линия DE на этом рисунке – риска на поверхности образца, которая после образования пластины мартенсита переходит в линию DF. АBC – габитусная плоскость, в результате превращения она остается инвариантной (неискаженной и неповернутой).

В качестве примера можно привести мартенситное превращение ГЦК->ОЦК, которое имеет место, в частности, в сплавах железа. Механизм такого превращения, как впервые предположил Бейн в 1924 г., состоит в однородной «перестройке» ГЦК решетки в решетку ОЦК. Схема такой перестройки показана на рис. 1.11.

18

Рис. 1.10. Схематическое представление деформации с инвариантной плоскостью при мартенситном превращении

Рис. 1.11. Деформация Бейна для мартенситного превращения ГЦК->ОЦК (ОЦТ): а – решетка аустенита; б – выделенная тетрагональная ячейка; в – тетрагональная решетка мартенсита

19

Учитывая только деформацию при однородной перестройке решетки, не удается объяснить возникновение реальной решетки мартенсита: мартенсит дополнительно пластически деформируется (скольжением, двойникованием, образованием дефектов). Эта вторичная деформация дает сдвиг, называемый не-

однородным или дополнительным сдвигом. Появление вторич-

ной деформации, называемой также деформацией с инвариантной решеткой, можно объяснить следующим образом. Деформация формы при мартенситном превращении достигает 10-20 %, несоответствие решеток аустенита и мартенсита приводит к возникновению больших аккомодационных напряжений, приводящих в свою очередь к вторичной деформации мартенсита. Вторичная деформация может осуществляться пластическим течением путем скольжения (рис. 1.8, в) – такой механизм характерен для сплавов на основе железа. Во многих других случаях вторичная деформация осуществляется путем двойникования (рис. 1.8, г). На рис. 1.12 показано изображение мартенситной пластины и окружающего его аустенита в сплаве Fe – 25 % Ni – 0.5 % C, полученное при помощи электронного микроскопа. Тонкие полосы внутри пластины представляют собой двойники превращения.

Рис. 1.12. Край внутренне сдвойникованной мартенситной пластины в сплаве Fe –25 % Ni – 0.5 % C (× 30000)

20

Яркое проявление эффекта памяти формы возможно только при обратимости всех составляющих мартенситного превращения. Можно выделить две причины, препятствующие структурной обратимости [4]. Первая из них связана с необязательностью «попятного» движения атомов при обратном мартенситном превращении: в общем случае может быть несколько направлений сдвига, преобразующих решетку мартенсита в исходную решетку аустенита.

Количество вариантов направлений сдвига зависит от симметрии решеток мартенсита и аустенита. В сплавах на основе цветных и благородных металлов симметрия решетки мартенсита, как правило, низка и является подгруппой группы симметрии решетки аустенита. В этом случае имеется единственный вариант перестройки из решетки мартенсита в исходную – обратный прямому. Это является необходимым условием структурной обратимости мартенситного превращения.

В сплавах но основе железа решетка мартенсита (ОЦК) и аустенита (ГЦК) относятся к одной (кубической) группе симметрии. Существует несколько кристаллографически эквивалентных способов как прямой (ГЦК->ОЦК), так и обратной (ОЦК->ГЦК) перестройки. Это приводит к формированию при прямой перестройке доменной структуры мартенсита (каждый домен имеет свою ориентировку по отношению к аустенитной фазе). При нагреве также происходит образование областей аустенитной фазы в объеме мартенситной. В результате первоначальная (до превращения) ориентация и форма областей аустенита не восстанавливается, т.е. такой переход является структурно необратимым.

Вторым необходимым условием обратимости мартенситных превращений является обратимость вторичной деформации мартенсита, которая возможна в том случае, если она осуществляется двойникованием. Этот случай соответствует термоупру-

гому мартенситному превращению.

Среди сплавов с ЭПФ можно выделить две группы: сплавы

21