книги из ГПНТБ / Богачев И.Н. Структура и свойства железомарганцевых сплавов

0,9 мкм. Пластины располагаются параллельно друг другу в определенном направлении и па фотографиях вы­ являются светлыми на фоне серой матрицы аустенита. Неоднородное строение их выявляется при анализе кон­ траста который обусловлен интерференцией электронных волн, принимавших участие в формировании изображе­ ния. Если пластины е-мартенсита поглощают электроны больше, чем соседние участки кристалла, либо рассеива­ ют их таким образом, что они не проходят через апертур­ ную диафрагму линзы микроскопа, то наблюдается пони­ женная . интенсивность изображения. В этом случае внутреннее строение пластин не выявляется. Если же пластины находятся в отражающем положении, то от­ четливо проявляется их внутреннее строение (см. рис. 18). е-мартенсит возникает на плоскости {111} аустенита вследствие того, что эти плотиоупакованные пластины аустенита и плоскость {0001} е-мартенсита параллель­ ны между собой, и на электропограмме рефлексы обрат­ ных решеток от этих плоскостей сливаются.

Для сплава Г20 (см. рис. 18, а) замечено растяжение узлов обратной решетки аустенита, которое может быть объяснено либо меньшими размерами кристаллов, либо часто расположенными нарушениями периодичности кристаллической решетки в этом же направлении. Повидимому, указанное растяжение узлов обусловлено обоими этими факторами.

Расшифровка электронограммы (см. рис. 18, б) пока­ зала, что узлы растянуты в направлении [111], что так­ же подтверждает высокую плотность дефектов упаковки в е-мартенсите. При благоприятных дифракционных ус­ ловиях внутри плоскости е-мартенсита можно обнару­ жить отдельные дефекты упаковки. На светлопольных изображениях пластин е-мартенсита видны темные пря­ молинейные дефекты упаковки, представляющие собой прослойки г. ц. к. структуры в несколько межатомных расстояний.

На основании анализа кристаллографических ориен­ тировок пластин е-мартенсита и дефектов упаковки в аустените, расположенных параллельно пластинам е-мар­ тенсита и представляющих собой тонкие прослойки гексагональной структуры в г. ц. к. решетке, можно утверждать, что увеличение плотности упорядоченно рас­ положенных дефектов упаковки в аустените приводит к

образованию гексагональной структуры е-мартенсита. Подтверждением этому является микрофотография (см. рис. 18 а), на которой видны темные параллельные пла­ стины гексагонального мартенсита на фоне светлого аустенита. Между пластинами находится аустенит с вы­ сокой плотностью дефектов упаковки. На темнополыюм электрошюмикроскопическом изображении в свете реф­ лексов е-мартенсита наблюдается свечение этих темных пластин (рис. 19).

Кроме того, светятся также участки аустенита с высо­ кой плотностью дефектов упаковки, находящихся между пластинами и представляющих собой г. п. у. структуру. Таким образом, увеличение плотности упорядоченно рас­ положенных дефектов упаковки в аустените приводит к образованию гексагонального мартенсита. Дефектность мартенсита сложным образом зависит от содержания марганца в сплаве, температуры закалки и скорости ох­ лаждения. Если при закалке в сплаве появляются перио­ дические дефекты упаковки в октаэдрических плоскостях аустенита, которые параллельны определенным крис­ таллографическим направлениям, то образуется гек­ сагональный мартенсит, имеющий вид бездефектных пластин.

При сопоставлении светлополыюго изображения с темнопольным в свете одного из действующих рефлексов е-мартеисита можно предположить, что в Fe — Mn спла­

ве могут образоваться однородные участки гексагопаль-

о

ной кристаллической структуры размером — 100 А. Кроме того, в зависимости от совершенства кристалличе­ ской структуры исходного у-твердого раствора в резуль­ тате у -ѵ e-превращения могут образоваться и более ши-

О

рокие (>1000 А) пластины е-мартенсита. При медлен­ ном охлаждении сплава Г20 образуются пластины е-мартенсита более крупные (размером5—\0мкм). Пла­ стины располагаются в нескольких кристаллографиче­ ских направлениях и, как было указано, могут пересе­ каться между собой. Широкие пластины состоят из очень тонких прослоек е-мартенсита и поэтому являются де­ фектными.

Применение наклона образца относительно направле­ ния электронного пучка в микроскопе позволило обнару­ жить некоторые тонкие детали внутреннего строения

Рис. 19. Тонкая структура силана Г20, светлополыюе (а) и темнополыюе изображения (б). Видны чередующиеся пластины, между которыми находится аустенит. Х27 000

мартенсита. При изменении дифракционных условий от­ ражения внутри пластин е-мартенсита обнаруживается дислокационная структура с невысокой плотностью. Бо­ лее высокая плотность наблюдается в местах пересечения одних пластин е-мартепсита с другими. Скопления дисло-

Рис. 20. Сплав Г20. Единичные и пересекающиеся дефекты упаковки в аустените. Х27 000

каций образуют густую неправильную сетку. При измене­ нии угла наклона образца на 1°50' относительно первич­ ного пучка вектор Бюргерса дислокации становится па­ раллельным отражающим плоскостям и изображение дислокаций исчезает. Однако при этом выделяется тон­ кое строение пластин е-мартенсита. Пластины выглядят темными, в них наблюдается высокая плотность дефектов упаковки. При дальнейшем увеличении угла наклона в аустените становятся заметны дефекты упаковки, кото­ рые раньше не были видны; при этом тонкое строение других пластин е-мартенсита выглядит по-разному. Разориентировка самих пластин не наблюдается. Серия мик­ рофотографий одной и той же пластины мартенсита, по­ лученных в результате наклона образца в микроскопе, показывает, что внутри пластин е-мартепсита (рис. 20)

обнаруживается высокая плотность параллельно распо­ ложенных дефектов упаковки. При изменении дифрак­ ционных условий отражения на микрофотографиях вид­ ны параллельные темные и светлые участки, свидетель­ ствующие о разориентировке пластин е-мартенсита. Угол разориентировки отдельных участков пластин составляет 3—6°.

Таким образом, на основании приведенных данных можно сделать вывод, что в результате у -»■е-превраще- ния в Fe — Mn сплаве образуются однородные пластины

О

е-мартенсита размером 100—1000 А. Широкие пластины е-мартенсита состоят из более узких и имеют более высо­ кую плотность дефектов упаковки.

В зависимости от содержания марганца в сплавах мо­ жет наблюдаться различный фазовый состав и различ­ ная степень дефектности аустенита. При содержании марганца до 10% е-мартенсит в структуре сплава пред­ ставлен не только широкими пластинами, но и пластина­ ми меньших размеров. Наблюдаются тенденции к обра­ зованию а-мартенсита игольчатой формы. Широкие кри­ сталлы сс-мартенсита и узкие (между ними) могут быть параллельны нескольким кристаллографическим направ­ лениям (рис. 21). По-видимому, сс-пластины образовались на первых стадиях охлаждения и проходят от одной гра­ ницы зерна аустенита к другой. Дальнейшее образование пластин, располагающихся под различными углами к

указанным светлым пластинам, происходит из у-фазы в нижнем интервале у-ѵа-превращения. Эти пластины имеют размеры около 0,1—0,3 мкм. Условия их образова­ ния должны отражаться и на самой структуре. Так, плот ность дислокаций у этих пластин выше, чем у широких, а размер блоков меньше.

В данном сплаве одновременно с увеличением количе­ ства остаточного аустенита образуются тонкие прослойки е-мартенсита и дефектов упаковки. Электронограмма по­ казывает, что, кроме рефлексов а-мартенсита, имеются очень слабые рефлексы гексагонального е-мартенсита. Дальнейшее увеличение содержания марганца в сплаве понижает точку мартенситного превращения у->а и тем самым стабилизирует превращение, что приводит к изме­ нению фазового состава. В сплаве Г14, закаленном с 1100°С, содержится 49% е-мартенсита, 17%остаточного

аустенита и 34% а-мартенсита. При этом существуют не­ которые особенности к расположению этих фаз.

По субструктуре а-мартенситаструктуры сплава Г14 и сплавов Г7 и ПО практически не различаются. Во всех указанных сплавах пластины мартенсита имеют высокую

Рис. 21. Сплав Г14: фазы а, Y и 8. Х27 000

плотность дислокаций и блочную структуру; при благо­ приятных дифракционных условиях внутри пластин а- мартенсита наблюдаются отдельные дислокации. Однако наблюдается некоторое различие в форме самих пластин. Пластины а-мартенсита в сплаве Г14 значительно боль­ ше, чем в сплавах ПО, при этом они располагаются внут­ ри е-пластип. Наиболее яркие и характерные особенности строения и расположения пластин а-и g-мартенсита спла­ ва Г14 заключаются в том, что в зависимости от ширины пластины е-мартенсита а-мартенсит может иметь иголь­ чатую форму или форму двояковыпуклой линзы.

Игольчатую форму, как правило, имеют а-пластины, наблюдающиеся в широких пластинах g-мартенсита, а линзообразную — в более тонких е-пластинах. Препятст­ вием для мартенситного превращения пластин являются границы раздела е-мартенсита с у-фазой (рис. 22).

Игольчатый и линзообразный мартенсит располагаются преимущественно поперек пластин е-мартенсита, кроме того, в сплаве типа Г14 могут наблюдаться довольно ши­ рокие и длинные пластины а-мартенсита, которые прохо­ дят через е-мартенсит и границы раздела его с аустенп-

Рис 22. Сплав Г14. Образование а внутри е-фазы. Закалка с 1100° С. Х27 000

том и вклиниваются в аустенитную матрицу. Имеются

также пластины а-мартенсита, расположенные вдоль е- пластин.

Электронномикроскопические исследования показыва­ ют, что пластины а-мартенсита могут как располагаться внутри пластин е-мартенсита, так и пересекать границы раздела и проходить через аустенитную матрицу. Точка Мг находится в интервале 140—160°С, точке Ма соответ­ ствует 140°С, т. е. обе фазы а и е образуются в узком тем­ пературном интервале. По-видимому, е-мартенсит, обра­ зование которого сопровождается уменьшением объема, вызывает появление а-мартенсита, сопровождаемое уве­ личением объема. В соответствии с дислокационным ме­ ханизмом Коттрелла гексагональная структура, обра­ зующаяся в результате мартенситного превращения, мо­ жет иметь высокую плотность дефектов упаковки. В этом

случае зарождение а-мартенсита происходит в резуль­ тате взаимодействия различных дефектов.

Если считать, что зародышами гексагонального е-мар- тенсита являются дефекты упаковки, то можно сделать вывод, что в сплаве Г14 могут реализоваться следующие структурные превращения:

у-^дефекты упаковки^

Сплав Г20 содержит максимальное количество е-мар- тенсита, а-мартенсит в нем отсутствует. Для структуры сплава Г23 характерны как узкие, так и широкие пласти­ ны гексагональной структуры.

Растяжение узлов обратной решетки е-мартенсита, наблюдаемое на злектронограммах, свидетельствует о высокой плотности дефектов упаковки. Дальнейшее уве­ личение содержания марганца приводит к стабилизации аустенита по отношению к у->е-превращению, и сплав с 29% Мп становится чисто аустенитным. Электронограм­ мы свидетельствуют о наличии аустенита, а также об от­ сутствии е-мартенсита и дефектов упаковки.

Анализируя рассмотренные результаты, можно от­ метить, что с повышением концентрации марганца до 20% количество дефектов упаковки в аустените возрастает, достигая максимума. Дальнейшее увеличение содержа­ ния марганца приводит к уменьшению количества дефек­ тов упаковки. Аналогично зависит от содержания мар­ ганца количество е-мартенсита в структуре.

Наличие в Fe—Mn сплаве углерода приводит к обра­ зованию твердого раствора внедрения. О влиянии углеро­ да на у -> е-превращение существуют различные мнения. Одни авторы считают, что углерод подавляет у^-е-пре- вращения, другие придерживаются точки зрения о том, что температура Мв для у->е-превращения снижается. Исследования влияния углерода на структуру показыва­ ют, что в сплаве 50Г14, закаленном в жидком азоте, наблюдаются широкие пластины е-мартенсита с высокой плотностью дефектов упаковки. Электронограммы пока­ зывают наличие в структуре гексагонального е-мартен- сита и отсутствие других фаз.

При закалке сплава 50Г14 с 1100° С в воде также фор­ мируется гексагональный е-мартенсит, но плотность де­ фектов упаковки в нем значительно меньше, чем после

закалки в жидком азоте. В структуре сплава видны так­ же единичные дефекты упаковки. Оценка общего количе­ ства e-мартенсита в сплавах, закаленных в жидком азоте и в воде, соответствует рентгеновским данным, согласно которым количество е-мартенсита в сплаве 50Г14 при за­ калке в жидком азоте больше, чем в сплаве, закаленном в воде.

Необходимо отметить, что в некоторых зернах сплава 50Г14 наблюдается а-мартенсит как пластинчатой, так и игольчатой формы. В сплаве 30Г20 с меньшим содержа­ нием углерода видны как узкие однородные, так и широ­ кие дефектные пластины е-мартепсита. Необходимо отме­ тить, что в Fe — Mn сплавах, легированных углеродом, реализуется в пределах зерна единственная ориентиров­ ка пластин е-мартенсита. Аналогичные данные были по­ лучены Л. И. Лысаком и Б.И. Николиным рентгенострук­ турным методом на монокристаллических образцах Fe — Mn сплавов.

Таким образом, влияние углерода на формирование структуры е-мартенсита сказывается в том, что с увели­ чением степени переохлаждения возрастает количество е-мартенсита и плотность дефектов упаковки; в пределах одного зерна пластины е-мартепсита имеют одну ориен­ тировку, выявляемую как структурно, так и кристалло­ графически. Очевидно, что влияния углерода на пре­ вращения у-*~е и а-мартенситное аналогичны. Можно считать, что присутствие углерода приводит к резкому снижению мартенситной точки и увеличению стабилиза­ ции аустенита. Превращение переносится в область бо­ лее низких температур и не завершается полностью.

Зарождение и формирование г-мартенсита

После закалки сплавов могут быть зафиксированы дефекты упаковки различного характера: одиночные, пересекающиеся и т. д. (см. рис. 20).

Формирование структуры е-мартенсита в сплаве Г20 изучали в электронном микроскопе [22] непосредствен­ но в процессе превращения. Фольги толщиной ^ 1000 нм

О

(100 А) нагревали в специальной микропечи выше тем­ пературы обратного превращения е-^у- По мере нагре­ ва образца до 130—150°С наблюдалось растворение дефектов упаковки в аустените и одновременно свобод-

ное перемещение дислокаций. Препятствием для их движения обычно являются границы раздела (границы

нерастворившихся пластин е-мартепсита и другие гра­ ницы) .

При 180 200° С пластины е-мартепсита начинают растворяться. Зафиксировать данный процесс довольно трудно, так как в результате превращения происходит изменение объема, сопровождающееся дрейфом объек­ та. Визуально структура в процессе нагрева и охлажде­ ния выявляется достаточно ясно. При 220—240°С про­ исходит полное растворение дефектов упаковки и пла­ стин е-мартенсита, структура становится чисто аустенит­ ной, что подтверждает расшифровка электронограмм, снятых при указанных температурах.

При охлаждении с 400° С формирование гексагональ­ ной структуры происходит с образованием широких дефектов упаковки (рис. 23). По мере охлаждения де­ фекты упаковки удлиняются, край дефекта ограничен частичными дислокациями и является местом зарожде­ ния нового дефекта, т. е. происходит эстафетный рост дефектов в определенном направлении. Дефекты упа­ ковки выстраиваются плотно — один возле другого, при­ чем с развитием охлаждения плотность таких упорядо­ ченно расположенных дефектов возрастает настолько, что они образуют пластины гексагональной структуры. Препятствием для роста таких пластин служат различ­ ные структурные несовершенства или же ранее образо­ вавшиеся пластины е-мартенсита, имеющие другое кри­ сталлографическое направление.

Рост пластин е-мартенсита до определенной шири­

тенсита. Появление е-мартенсита происходит с умень­ шением объема и пограничная область между аустени­

Превращение в фольгах толщиной 10000—30000 нм

О

(1000—3000 А) отличается от превращения, происходя­ щего в массивных образцах. Это различие обусловлено масштабным фактором и может быть связано е внутрен­ ними напряжениями в кристалле. В результате у->-е-