Лекция 12

Модуль 3. Структура и ее роль в обеспечении заданного комплекса свойств материалов.

Тема 3.4. Стабилизация структурно-фазового состояния материалов

СТАБИЛИЗАЦИЯ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Равновесное состояние сплавов - это частным случаем реального термодинамически нестабильного состояния, в котором эксплуатируется большинство материалов.

Более того, сложнолегированные материалы с заданным уровнем свойств почти во всех случаях термодинамически нестабильны, а равновесное состояние не всегда является оптимальным с точки зрения свойств материала.

Учитывая, что свойства в значительной степени определяются структурно-фазовым состоянием (СФС) материалов, целесообразно рассматривать относительную стабильность материала, т.е. сохранение СФС и, следовательно, свойств в реальных условиях в течение всего времени работы материала.

Заданную структуру обычно получают, комбинируя определенным образом операции деформации, термообработки и диффузионного отжига, причем происходящие превращения искусственно затормаживаются, как правило, охлаждением до комнатной температуры в выбранный момент времени.

Например, материалы, полученные посредством

СТАБИЛИЗАЦИЯ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ

(ПРОДОЛЖЕНИЕ)

Например, материалы, полученные посредством плавления и литья, обладают далеко не оптимальной (литой) структурой, для разрушения которой и гомогенизации состава традиционно

применяют термомеханическую (ТМО) или многократную термомеханическую (МТМО) обработки

Механическая обработка может быть холодной (Тобр < Трекр) или

горячей

(Тобр > Трекр). Последующий нагрев стимулирует рекристаллизацию, т.е. получение заданного размера зерна.

Реальные материалы, обладающие избытком свободной энергии, нестабильны или относительно стабильны. Всегда могут протекать процессы, связанные с увеличением энтропии ( S max) и уменьшением свободной энергии материала ( G min)

Если исходное СФС было оптимальным, то эти изменения будут приводить к ухудшению состояния и свойств материала.

1. Проблемы стабильности структурно-фазового состояния материалов

Представление о присущей металлическим материалам нестабильности показано на рис. 1,а на примере изменения свободной энергии атомов при переходе из руды в металл или сплав ( G возрастает), а затем – при коррозии ( G уменьшается).

С этой точки зрения состояние атомов в руде является наиболее стабильным, и металл неизменно стремится вновь перейти в более стабильное химическое состояние, отличающееся от металлического.

Изменение уровня свободной энергии атомов при переходе в более стабильное состояние показано на рис. 1,б. Меньшему уровнюG соответствует более стабильное состояние атома.

1.Проблемы стабильности структурно-фазового состояния материалов

Дополнительную свободную энергию, необходимую для перехода из одного положения в другое, атом получает за счет тепловых флуктуаций.

Величина Gi (как и Si) указывает общее направление процесса

взаимодействия атомов: чем меньше уровень свободной энергии, тем стабильнее положение атомов и СФС.

Кинетика процесса перестроения атомов (и СФС) будет определяться энергией активации (GAi) этого процесса. В большинстве

практических случаев GA > kТ, так что скорость преодоления

энергетического барьера очень мала.

Хорошо известно, что скорость того или иного термически активируемого процесса перехода атомов из одного состояния в другое

1.Проблемы стабильности структурно-фазового состояния материалов

(продолжение)

Скорость перехода весьма чувствительна к температуре: Пример: энергия активации НА= 2 эВ/ат. T = 300 K , то 10–33

T = 1000 K, то 10–10

Скорость перехода увеличится на 23 порядка: это 1 с и 3 1014 лет, а температура возрасла всего на 700 К. Переходы заметны при Т 0,3Тпл.

Нестабильности СФС:

-метастабильность (промежуточные менее стабильные состояния с повышенной энергией, отделенные одно от другого потенциальным барьером. Наличие барьера вызвано, например, зарождением и ростом зародыша новой фазы (зерна) до критического размера;

-истинная нестабильность - выход из этого состояния безбарьерный, исходное нестабильное СФС может переходить в другое состояние без предварительного увеличения энергии.

.

1.Проблемы стабильности структурно-фазового состояния материалов

(продолжение)

В реальности перестроение СФС обусловлено движением атомов в решетке твердого тела, а для этого необходима активация этого движения.

Разница между двумя типами стабилизации СФС состоит в том, что при метастабильных превращениях в стадии активации участвует множество атомов, тогда как для превращения второго типа достаточна последовательная активация лишь одного атома.

Величины избытка свободной энергии состояния одного атома ( G1 ) над другим ( G2) более стабильным можно рассматривать как

относительные движущие силы процесса перехода атомов в более стабильное состояние.

Чем больше по абсолютной величине G, тем больше стимул к

переходу системы в новое состояние.

2. Движущие силы изменения структурно-фазового состояния

Причиной изменения СФС материала могут быть внутренние и внешние факторы:

-внутренние факторы, приводящие к избытку свободной энергии и

снижению стабильности системы – это:

-неравномерное распределение компонентов в сплаве; -пересыщение твердого раствора; -наличие разнозеренной микроструктуры;

-наличие второй фазы, границ раздела фаз, зерен и субзерен; -дефекты микроструктуры; -остаточные напряжения и др.

-внешние факторы, приводящие к избытку свободной энергии, - это действующие на твердое тело:

-тепловые потоки (рост температуры); -внешнее давление; -воздействие среды;

-воздействие физических полей, включая облучение материала, действие электромагнитных полей и др.

2. Движущие силы изменения структурно-фазового состояния

(продолжение)

G = Gхим + Gпов + Gдеф.

Типичные величины «поверхностной» и «деформационной» составляющих изменения свободной энергии значительно меньше химической части.

Например, при увеличении деформации меди от 10 до 120 % запасенная энергия в металле с исходным зерном 30 мкм возрастает от 10,5 до 50,6 Дж/моль.

Изменение свободной энергии при увеличении размера мелкодисперсных выделений (снижении площади межфазной поверхности) составляет порядка 20 Дж/моль.

Таким образом, движущие силы, вызванные деформациями или межфазными поверхностями, имеют в целом небольшие значения по сравнению с возникающими за счет химической свободной энергии, т.е. Gхим >> Gдеф Gпов.