Введение к работе
Актуальность темы. Методы создания конструкциойНІЙС маїерия-лоб, отвечающих запросам современной .техника, основываются на использовании закономерных связей между физико-химическими свойствами металлов и сплавов и их внутренним строением. Основнім средством, позволяющим на практико перестраивать структуру металлов и сплавовг служат фазовые' превращения' (ФП). Последние заключаются нередко ъ изменений' кристаллической структуры, характерной чертой которого является неоперативность перестройка кристаллической решетки. Классический пример Ш такого типа ~ у - о< мартенситноо превращение (МП) в сплавах железа. Изучение именно этого превращения привело к осознанию специфики бездиффузионяых структурных переходов, и полатало начало развитию представлений об особом - мартенситом механизме перехода /I/, который, как выяснилось, вообще типичен для превращений кристаллической структуры в условиях подавления диффузионных процессов. Последнее обстоятельство позволяет оправдать интерес к мартенсятяой проблематике со стороны не только прикладной, но и фундаментальной науки и служит важнейшим стимулом для развития теории ^ - о< Ш в сплавах железа.
В теоретическом плане изучение у - о< ш в сплавах железа продолжается уже более 40 лет, развиваясь по нескольким направлениям. Достигнуты-определённые успехи в описании морфологии, мартенсита в рамках кристаллогеокетрической теории МП, в решения проблемы упругого'равновесия при сосуществовании фаз в твердом состоянии,-в исследовании вклада упругих напряжений в общую энергию гетерофаэной системы и обусловленных ими особенностей в структуре продукта МП. Изучены термодинамические аспекты устойчивости образований новой фазы на стадии зароддения, факторы, контролирующие частоту образования зародышей; получены убедительные аргументы, свидетельствующие о гетерогонном.характере процесса зароддения мартенсита, и, в частности, о дислокационной природе его центров зарождения. С другой стороны, в последние годы начинает проявляться все больший интерес к изучения динамических аспектов МП в сплавах железа. Растет число работ, посвященных выяснению механизмов возникновения неустойчивости в динамическом поведении решетки и разработке схем волнового описания роста мартенсита. Наиболее значительным исследоваїшем в этой области, сочетающим микроскопический и волновой подходы, представляется волновая теория роста мартенсита /2/, в которой переход
к новому структурному состоянию связывается с потерей устойчивости решетки относительно определенных колебаний при достижении льет макроскопических амплитуд, превышающих пороговое значение . Такая точка зрения совместима только с картиной согласованного распространения макроскопических колебаний решетки в виде волн смещений атомов и границы МП, поскольку в сплавах железа, не теряющих механичеокой жесткости к началу МП, существование волн с макроскопическими амплитудами требует энергетических затрат и возможно лишь за счет энергии превращения. Рост мартенеитного кристалла (МК) трактуется, соответственно, как самоподдерживающийся процесс деформационного превращения смежных с границей МК областей, в котором именно волны смещений обеспечивают деформацию, необходимую для кооперативного преодоления барьера, разделяющего ^ и о( состояния.
Представления о ключевой роли динамического механизма нарушения устойчивости решетки в развитии структурных изменений на стайш роста новой фазы находят обобщенное выражение в концепции управления, оправдывающей правомерность выделения процесса управления структурной перестройкой в качестве самостоятельного объекта исследования. Для понимания природы аномалий в динамической поведении "жесткой" решетки и решения проблем, связанных с описанием управляющего процесса, принципиальное аяачекие имеет учет того факта, что самопроизвольное зарождение Ж возмокно лишь в присутствии дефектов (вероятнее всего дислокаций). Действительно, упругое поле дислокационного центра зарождения (ДЦЗ), нарушая симметрию исходного структурного состояния, исключает равноправие эквивалентных в кристаллографическом отношении вариантов развития структурной перестройки и на начальной стадии оказывается единственным фактором, определяющим путь ыартенситной реакция, выгодный с точки зрения адантаїщи к особенностям упругонанряженного состояния, создаваемого дислокацией. Концепция управления ростом Ж допускает существование связи между морфологией МК и коллективными модами смещений атомов, доминирующими в межфазной области. Объединение ее с концепцией гетерогенного.зарождения МК дает возмояность для распространения этой связи на характеристики центров зарождения МК и позволяет заметно продвинуться в понимании причин, ответственных за происхождение структурно-морфологических особенностей, свойственных кристаллам новой фазы, образующимся при мартенсит-
ном превращении. Поэтому основное направление исследовании, открываемое диссертационной работой, можно определить следующим образом: развитие теоретических представлений о механизмах влияния упругого поля центра зароадения на образование кристалла мартенсита.
Цель работы. Основной целью работы является однозначная идентификация дислокационных центров зарождения кристаллов о( -мартенсита в сплавах железа. Достижение этой цели потребовнло решения следующих задач: численного расчета далыюдеМетвующей части упругих полей прямолинейных изолированных дислокаций о линиями и векторами Бюргерса, типичными для единичных дислокаций в ГЩ решетке; разработки упругой модели дислокационного центрі зарождения Ы. -мартенсита; доказательства однозначной соиоотавлн-емости особенностей упругодеформированного состошиы центра зарождения с особенностями кристаллографии х - Ы. мартенситного превращения, то есть доказательства соответствия дЩі ^ морфология МК; разработки алгоритма построения феноменологической модели процесса, управляющего движением границы превращения, основанного на использовании представлений, объединяющих концепции гетерогенного зароадения мартенсита и роста его в волновом режиме; обобщения волновой модели роста МК.
Научная новизна.
-
Впервые показано, что упругодеформированное состояние .ч окрестности ДЦЗ характеризуется сочетанием особенностей, однозначно сопоставляемых с вполне определенным набором монологических признаков, обычных для кристаллов мартенсита, наблюдаемых в сплавах железа при у - d мартенситном превраиіенші.
-
Впервые установлены два конкретных семейства дислокационных центров зароадения объемного с< -мартенсита в сплавах железа, одно образуют 60 дислокации с линиями <ІЇ0>. - центры зарождения МК с габитусами типа {55?}? - {22b}j( другое 30 дислокации с линиями <121>„ - центры зароадения МК с габитусами типа {259}^ - {3 10 15}„. Показано, что'каждому морфологическому варианту мартенсита ставится в соответствие единственный и вполне определенный центр зароадения.
J. Впервые дана физическая трактовка выделенное двух вариантов ориентационного соответствия между решетками пустенита и о(-мартенсита массивных образцов, выражавши ориентишюшшмн соотношениями (00) Курдюмова - Закса и Лмшиямн, согласно кото-
рому сам факт неединственности ориентационного соответствия объясняется *Эуществованием центров зарождения двух типов. Ші одного типа выделяют направление <ІЇО> , другого - направление <121Х, вследствие чего для МК с габитусами, близкими к {557}, (_225}j, физически'оправдана тенденция к соответствию Курдюмо-ва - Закса, а для !Ж с габитусами {259L - {3 10 15} 3 - к соответствию Нишиямы.
-
Йіершо предложена трактовка закономерностей образования шогокристальннх группировок, характерных для пакетного мартенсита, основанная на учете специфики дислокационного зарождения лиртенсита н эффектов самоорганизации.
-
ШерЕые установлены вероятные ДЦЗ у -мартенсита с габитусами тина {156]^ при обратном с<->^ МП в сплавах железа.
-
Впервые установлено, что представления о динамическом механизме управления структуїмой перестройкой при jf->-o< МП в сплавах железа совместима только с картиной гетерогенного заре— адения !ДК.
Науч.чая и практическая значимость работы. Результаты, полученные в работе позволяют сделать' конкретные выводи относительно закономерностей происхождения структурно-морфологических особенностей, расширяющие піюдставления о роли дефектов и динамического механизма управления структурной'перестройкой в процессах зарождения и роста отдельных кристаллов новой фазы и их ансамблей при мартенситных превращениях, которые представляют интерес как с физической; так и прикладной точек зрения. Заключение об однозначности соответствия ДЦЗ 2:-морфология ЫК, раскрываемого в деталях, открывает дополнительные возможности в поисках средств целенаправленного воздействия на формирование гетерофаз-поі'о состояния сплавов путем создания преимущественной системы дефектов, а в теоретическом плане - для постановки и решения задач компьютерного моделирования и прогнозирования возможных вариантов продукта мартенситного превращения с использованием как макроскопических, так и микроскопических моделей превращающейся системы. Представления о ключевой роли динамического состояния зародыша в развитии превращения и знание его основных характеристик могут найти практическое применение при разработке принципиально новых способов обработки поверхности сплавов. Перспективной в этом плане представляется идея об имитации условий, сопутствующих образованию зародиша UK, с помощью лшіоііїшх источни-
7, -.
ков энергии, которые располагаются на гранях аустенита и ориентируются в направлениях, установленных из анализа упругих полей дислокационных центров зарождения. К настоящему времени эта идея реализована экспериментально (см., напр. /3/), результаты экспериментов можно расценивать как подтверждение выводов теории.
Автор выносит на защиту.
I. Теоретические' представления о физических механизмах влияния упругого поля дислокации на путь мартенситной реакция, обеспечивающих реализацию единственного из допустимых вариантов структурной перестройки при y -^превращении в сплавах железа.
2;ЛУпругую модель дислокационного центра зарождения мартен-ситного кристалла, в котярой возможности снижения величины вкладов от энергетически невыгодных эффектов возникновения упругих напряжений и границы фаз на стадии зародышеобразования связываются с особенностями упругодеформированного состояния аустенита в окрестности дислокации.
-
Представления, объединяющие концепции гетерогенного (в упругом поле дислокации) зарождения мартенситного кристалла и роста его, управляемого волнами смещений атомов.
-
Алгоритм построения феноменологической модели процесса, управляющего движением границы мартенситного превращения, и обобщенную волновую модель роста кристалла d -мартенсита.
-
Теоретический прогноз влияния импульсного лазерного излучения на зарождение Ж и предложения по его использованию в целях стимулированного запуска роста МК, а также в целях экспериментального изучения и физического моделирования процессгт, происходящих на стадии зародышеобразования при мартенситных превращениях.
Апообадия работы. Результаты работы докладывались на 1-ом Международном сешшэре-виставке CADAMT - 92 (Томск, 1992); Мел-дународной конференции "Новые методы в физике и механике деформируемого твердого тела" (Терскол, 1990); Двенадцатой Европейской конференции по кристаллографии (Москва, 1939); Всесоюзной конференций "Фазовые и структурные превращения в сталях" (Екатеринбург, 1992); Всесоюзной конференции по мартенситным превращениям в твердом теле (Носов, 1991); Первой Всесоюзной конференции "Сильновозбуэдешшо состояния в кристаллах" (Томск, 1988); 1-ой Всесоюзной конференции "Эффекты памяти формы и
свсрхэластичиости и лх применение в медицине" (Томск, І9Й9); П-ом Всесоюзном совещании "Метастабильные фазовые состояния, теплофизические свойства и кинетика релаксации" (Свердловск, 1989); У-ом Всесоюзном совещании по старению металлических сплавов (Свердловск, 1989); УТ-ом Совещании по старению металлических сплавов (Екатеринбург, 1992); на сессии постоянного семинара ГС MB и ССО РСФСР по физике твердого тела "Пластическая деформация сплавов и порошковых материалов" по теме: "Кинетика и* термодинамика.пластической деформации" (Барнаул, І9ВВ); У-ом Всесоюзном семинаре "Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов" (Свердловск, 1990); ХХХУ-ом Всесоюзном семинаре "Актуальные проблемы прочности" (Рубежное, 1990); )ОіУ-ом Всесоюзном семинаре "Актуальные проблемы прочности" (Стлрая Русса, І99І); 1-ом Всесоюзном семинаре "Струитурно-мерфологнчес-кие основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (Обнинск, 1991); 33-ем Всесоюзном семинаре по моделированию но ЭВМ радиационных и других дефектов в кристаллах (Караганда, 1991).
Публикации,. Результаты работы отражены в 41 публикации ; перечень наименований основных публикаций приведен в конце автореферата.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка цитированной литературы, содержит 267 страниц машинописного текста, 28 рисуш;ов, 56 таблиц и список литературы из 133 наименований.
