Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние исследований мартенситного превращения при термической обработке сталей в магнитном поле 10
1.1 Влияние магнитного поля в процессе мартенситного превращения 10
1.2 Механизм образования зародышей ферромагнитной фазы в неферромагнитной матрице 20
1.3 Сверхпластичность стали в температурном интервале Мд-Мн 28
1.4 Заключение и определение задач 39
2 Методика проведения экспериментальных работ 42
2.1 Структура общей методики 42
2.2 Материалы и образцы для проведения исследований 43
2.3 Лабораторное оборудование для создания постоянного магнитного поля 45
2.4 Устройства для нагрева, измерения и регистрации изменений физических свойств 50
2.5 Исследование структуры 59
2.6 Исследование характеристик механических свойств 61
2.7 Методы обработки результатов измерений и оценки их погрешностей 62
3 Процессы образования зародышей мартенсита и кинетика у—»ос перехода при действии внешнего магнитного поля 67
3.1 Механизм образования зародышей ферромагнитного мартенсита в парамагнитной аустенитной матрице 67
3.2 Неустойчивость кристаллической решетки аустенита перед мартенситным превращением и влияние внешнего магнитного поля в этих условиях 87
3.3 Изменения в кинетике мартенситного превращения под действием магнитного поля в температурном интервале сверхпластичности... 104
4 Особенности структуры мартенсита, полученного закалкой стали в магнитном поле в температурном интервале сверхпластичности аустенита 115
5 Перспективы практического использования бездеформационной закалки в магнитном поле 130
6 Общие выводы 141
Список литературы 147
Приложения 159
- Механизм образования зародышей ферромагнитной фазы в неферромагнитной матрице
- Лабораторное оборудование для создания постоянного магнитного поля
- Неустойчивость кристаллической решетки аустенита перед мартенситным превращением и влияние внешнего магнитного поля в этих условиях
- Особенности структуры мартенсита, полученного закалкой стали в магнитном поле в температурном интервале сверхпластичности аустенита
Введение к работе
Различные варианты комбинированной обработки, сочетающей возможности теплового воздействия и фазовых превращений с пластической деформацией, ультразвуковыми колебаниями, лазерным излучением, действием электрического и магнитного полей являются эффективными процессами применительно к металлическим сплавам. Применение такой обработки позволяет реализовать резервы упрочнения, улучшить технологические и эксплуатационные свойства путем целенаправленного изменения структуры.
Одним из видов комбинированного упрочения является термическая обработка в магнитном поле (ТОМП). Особенностью ТОМП является использование энергии внешнего магнитного поля (постоянного, переменного или импульсного) для воздействия на термодинамику, механизм и кинетику фазовых переходов с целью получения устойчивых изменений структуры и свойств, полезных для эксплуатации.
Использование ТОМП не распространяется на сплавы, относящиеся к классу магнитных материалов, термомагиитная обработка которых предполагает получение высоких магнитных характеристик в направлении действия поля и используется для получения материалов с высокой проницаемостью, прямоугольной петлей гистерезиса, при изготовлении сплавов для постоянных магнитов.
Использование магнитного поля для улучшения свойств конструкционных и инструментальных сталей обсуждалось, еще в начале 20 века, в работах Е. Герберта. Последующие годы характеризуются периодами повышения и спада интереса к этой проблеме, что, во многом, объясняется отсутствием систематического многопланового подхода и слабым развитием теории. Положение изменилось с появлением монографии профессора
М.Л. Бернштейна [1], в которой рассматривался ряд вопросов о влиянии постоянного магнитного поля на характеристики механических свойств и структуру конструкционных и инструментальных сталей, также сделана оценка изменения энергии ферромагнитной фазы под действием внешнего поля. Большое значение имеет монография [2], отражающая многолетний труд школы академика В.Д. Садовского по изучению влияния импульсного поля на термодинамику и морфологию продуктов мартенситного превращения. Для развития теории и технологии ТОМП основой являются исследования, проведенные в Донском государственном техническом университете под руководством профессора В.Н. Пустовойта [3].
Актуальность исследования. В настоящее время, не все проблемы использования термической обработки в магнитном поле решены. В теоретическом отношении требуют развития представления о механизме влияния магнитного поля на мартенситные превращения при термической обработке. В этом направлении решены вопросы, касающиеся термодинамики у—»а перехода, определяющие условия равновесия системы с учётом трёх переменных - температуры, давления и внешнего однородного магнитного поля. При изучении кинетики мартенситных превращений практически отсутствуют данные о влиянии магнитного поля в температурном интервале сверхпластичности аустенита. В этой связи следует отметить, что существующие теоретические представления не учитывают явления неустойчивости решетки перед мартенситным превращения. Решение подобных вопросов позволит уточнить и дополнить научные концепции о взаимодействии магнитного поля с веществом. Это также позволит выработать практические рекомендации по выбору оптимальных технологических режимов ТОМП и применении соответствующего промышленного оборудования.
В настоящей работе ставилась задача по решению указанных выше проблем, в связи с чем были проведены теоретические и экспериментальные исследования результаты которых выносятся на защиту:
1. Разработаны частные методики и специализированное лабораторное оборудование для исследования влияния магнитного поля на развитие мартенситного превращения в температурном интервале сверхпластичности аустенита.
Уточнены и дополнены физические представления о механизме воздействия магнитного поля на фазовые переходы первого рода с учётом явления магнитного расслоения аустенита в результате образования ферромагнитноупорядоченныхнанокластеров.
Выполнен теоретический анализ явления сверхпластичности и получены количественные оценки нестабильности решетки аустенита перед мартенситным превращением в стали.
Получены экспериментальные данные об образовании мартенсита напряжения под действием магнитного поля в температурном интервале сверхпластичности аустенита.
Создано специализированное оборудование для бездеформационной закалки в магнитном поле.
При выборе характера и напряженности магнитного поля учитывались интересы производства. Возможности сильного импульсного поля (~24 МА/м) ограничены малой длительностью импульса (не более 0,005 с), весьма небольшой глубиной намагничивания и невозможностью воздействия на процессы в той или иной степени контролируемые диффузией. Применение в промышленных условиях аппаратуры для получения постоянных и переменных полей большой напряженности проблематично из-за необходимость использования сверхпроводящих обмоток, работающих при гелиевых температурах, сложности в эксплуатации и высокой стоимости, что в условиях машиностроения пока экономически нецелесообразно. Поэтому в работе показаны возможности и область использования постоянного магнитного поля напряженностью до 2,4 МА/м, которое сравнительно легко можно реализовать в установках промышленного типа.
В работе учтён и использован огромный опыт постановки экспериментальных исследований и достижения в области изучения процессов термической обработки сталей в магнитном поле школ академика В. Д. Садовского, профессора М.Л. Бернштейна и профессора В.Н. Пустовойта, чьи труды оказали большое влияние при написании настоящей работы.
Научная новизна исследования: получены новые данные, указывающие на роль магнитной неоднородности аустенитной матрицы в процессе фазовых превращений. Воздействие магнитным полем при закалке приводит к усилению процессов своеобразного магнитного расслоения аустенита. Наличие в парамагнитной матрице наноструктурного ансамбля ферромагнитноупорядоченных кластеров позволяет им воспринимать энергию магнитного поля через магнитострикционные напряжения и изменять поля упругих сил в решетке, что вызывает уменьшение энергии образования зародышевого центра критического размера. Сделаны количественные оценки влияния магнитного поля на снижение энергии образования зародышевого центра критического размера и изменение кинетики аустенито-мартенситного превращения. найдена зависимость размера ферромагнитного кластера от напряженности магнитного поля. Показано, что размер кластера зависит от напряженности магнитного поля, в том смысле, что каждой величине напряженности поля отвечает минимальный размер области со спиновым порядком. Определен минимальный критический размер кластера 0,66 нм. При меньших размерах однодоменная область становится неустойчивой, т.е. обменные силы в этом случае не способны поддерживать спонтанную намагниченность. - установлено, что в температурном интервале Мн-Мд, когда аустенит становится сверхпластичным, под действием магнитного поля происходит образование мартенсита напряжения в нанообъемах аустенита с ферромагнитным упорядочением. При этом возникает структурная картина, обеспечивающая релаксацию напряжений превращения за счёт повышения дисперсности кристаллов мартенсита, направленности их вдоль вектора магнитного потока, распада твёрдого раствора "in statu nascendi", появления в сверхпластичном аустените деформационных двойников и ГП - дефектов упаковки, что, с одной стороны, создает условия для "внутренней правки" закаливаемых изделий, а с другой - создает условия для мультипликативного зарождения мартенсита охлаждения ниже Мн.
Практическая значимость работы:
Возможность образования мартенсита напряжения под действием магнитного поля в температурном интервале сверхпластичности аустенита выше Мн имеет большое практическое значение, так как сверхпластичность стали в температурном интервале образования мартенсита напряжения и охлаждения обусловливает возможность бездеформационной закалки изделий в магнитном поле за счет действия следующих факторов: повышения дисперсности, направленности кристаллов вдоль вектора магнитного потока, распада твёрдого раствора "in statu nascendi", появления в сверхпластичном аустените деформационных двойников и ГП - дефектов упаковки, а также макромасштабного "заневоливания" детали под действием магнитного поля. В результате, термическая обработка в магнитном поле позволяет улучшить структурное состояние деталей в связи с интенсификацией развития мартенситного превращения, исключить появление коробления на всех этапах термической обработки и тем самым устранить необходимость использования пресса или проведения последующей операции рихтовки.
Была разработана установка для закалки в магнитном поле изделий дисковой формы, которая прошла промышленную апробацию в ЗАО "РЗ СИТО". Установка применялась для термической обработки дисковых фрез из стали Р6М5 диаметром до 280 мм и представляла собой двойной коаксиальный электромагнит для возбуждения постоянного магнитного поля напряженностью 1600 кА/м. В результате было установлено, что указанное мероприятие экономически целесообразно, так как применение магнитной закалки устраняет коробление детали, уменьшает трудозатраты, так как исключает необходимость закалки под прессом или ручной правки, повышает эксплуатационную стойкость фрез в 1,6 - 1,8 раза и сокращает расход на 1000 обработанных деталей с 0,12 до 0,081.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV и VII Международных научно-технических конференциях соответственно под названиями "Прогрессивные технологии в современном машинострении" (секция: перспективные материалы их структура и свойства) (Пенза, 2008 г.) и "Материалы и технологии XXI века" (Пенза, 2009 г.); на международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения» (Ростов-на-Дону, 2009 г.); на конференции XVI Туполевские чтения (секция: материаловедение и технология новых материалов) (Казань, 2008 г.); на втором международном форуме по нанотехнологиям "Rusnanotech" (Москва, 2009 г.), где был получен диплом участника второго международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий (см. Приложения); на ежегодных научно-технических конференциях Донского государственного технического университета и научных семинарах кафедры «Физическое и прикладное материаловедение» (Ростов-на-Дону, 2007-2009 гг.).
Материалы диссертации опубликованы в 7 статьях в научных журналах [4-10] и тезисах конференций [11] (из них 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ, две печатных работы без соавторов).
Механизм образования зародышей ферромагнитной фазы в неферромагнитной матрице
Термодинамическое обоснование повышения температуры Мп под воздействием магнитного поля было сделано в работе М.А. Кривоглаза и В.Д. Садовского [2] путем анализа условия равновесия фаз в системе, состояние которой определяется переменными - температурой, давлением и внешним однородным магнитным полем. Показано, что при фазовом переходе 1-го рода с участием разных по намагниченности фаз наложение внешнего поля смещает температуру равновесия, расширяя область устойчивого существования более магнитной фазы. В обобщенном дифференциальном виде соотношение Клайперона-Клаузиуса, определяющее сдвиг точки перехода во внешнем магнитном поле, записано следующим образом: где Т0 - температура равновесия, ЛІ - разность удельных намагниченностей фаз, q - теплота превращения. Наблюдаемое экспериментально [23, 38] повышение температуры Мн на 40 - 70С в полях 16 - 40 МА/м хорошо коррелирует с расчетными данными, предполагающими смещение Т0 на величину 2,13 град-(МАУм)" .
Ф.Д. Мирошниченко [39, 40] предложил общую термодинамическую теорию фазовых превращений во внешних полях и получил уравнение равновесия системы или обобщенное уравнение Клайперона-Клаузиуса в дифференциальной форме для случая фазовых переходов 1-го рода где Ф - термодинамический потенциал, Т - абсолютная температура, Р -давление, а- внешние независимые параметры (магнитных, электрических, гравитационных и др. полей).
В работе [40] дана общая теория AT- эффекта с выводом уравнения (1.2) в интегральной форме, а также показано, что при фазовых переходах 1-го рода существует экспоненциальный закон для магнитного /ІГ-зффекта и скачка энтропии. Отмечая уже установленный факт смещения точки Мн в сторону более высоких температур при мартенситном превращении Ф.Д. Мирошниченко теоретически и экспериментально доказал более общую закономерность, которая заключается в расширении области существования ферромагнитной а - фазы при у—»а превращениях в магнитном поле. Ф.Д. Мирошниченко проанализировав правило Гиббса для термодинамической системы во внешнем магнитном поле, пришёл к выводу, что в системе, находящейся в равновесии при воздействии поля должна возникать новая фаза. В связи с этим указывается, что переход неферромагнитной фазы (аустенит) в ферромагнитную (мартенсит), причем с намагниченностью, близкой к насыщению, по-видимому, возможен через промежуточную бездоменную фазу, а влияние внешнего магнитного поля должно инициировать переход ферромагнетика из бездоменного в более магнитное состояние с доменной структурой. Путем тонких измерений намагниченности показано, что при мартенситном превращении в сплаве НІ 5 интенсивный рост кристаллов а - фазы начинается ниже 255, в то время как уже при 280 фиксируется появление фазы, по намагниченности отличной от аустенита. Развитие этих представлений может оказаться весьма плодотворным в направлении изучения особого магнитного состояния аустенита перед у— а переходом и влияния внешнего поля на формирование этого состояния.
В работе Л.Н. Ромашева [41] показано, что магнитное состояние аустенита хромоникелевых сталей является неоднородным, так как при определенных условиях в парамагнитной матрице возникают ферромагнитные кластеры, сообщающие ей суперпарамагнитные свойства. Эффект мартенситного превращения под действием импульсного магнитного поля оказывался тем большим, чем сильнее была выражена магнитная гетерогенность аустенита. Автор предположил, что ферромагнитные кластеры в аустените могут быть местами предпочтительного зарождения мартенсита.
Намагниченность сталей 43Х2Н19 и 53Н20 в полях до 20 МА/м в интервале температур от 660 К до температур начала мартенситного превращения ( 120К) измерена в работе [42]. Показано, что магнитное состояние аустенита можно описать сосуществованием отрицательного и положительного обменных взаимодействий между атомами. Вблизи, мартенситной точки положительное обменное взаимодействие является преобладающим, что обуславливает появление в аустенитной матрице сталей малых областей с ферромагнитным порядком, предположительно, эти области являются местами зарождения кристаллов мартенситной фазы.
В работах В.Н. Пустовойта [3, 17, 43] показано, что значимые структурные изменения и улучшение свойств стали при термической обработке в магнитном поле обусловлены каталитическим действием поля на развитие превращений в случае, если исходная фаза парамагнитна, а продукты превращения обладают ферромагнитными свойствами. Воздействие магнитным полем в процессе фазовых превращений при термической обработке приводит к усилению процессов своеобразного магнитного расслоения неферромагнитной матрицы (аустенита), обусловленного образованием ансамбля ферромагнитно-упорядоченных кластеров, которые, воспринимая энергию внешнего поля через магнитострикционные напряжения, изменяют поля упругих сил в микрообъемах атомной решетки матрицы, что приводит к снижению энергии образования зародышевого центра ферромагнитной фазы (продукта реакции) критического размера. Увеличение по этой причине скорости зарождения центров превращения (мультипликативное зарождение) определяет особую каталитическую роль магнитного поля в развитии фазовых реакций, продукты которых являются ферромагнетиками (матрица неферромагнитна). Эти явления отмечаются в полях напряженностью порядка 0,4 МА/м и усиливаются по мере увеличения напряженности. В полях напряженностью 1,2—1,6 МА/м рассма триваемые эффекты настолько существенны, что оказывают заметное влияние на результаты термической обработки.
Энергию образования одного кластера, без учёта энергии поверхностного раздела между парамагнитной матрицей и группой атомов с параллельными спинами, В.Н. Пустовойт [17] выразил следующим образом
Лабораторное оборудование для создания постоянного магнитного поля
Экспериментальные работы проводились на образцах, изготовленных из сталей промышленных плавок и модельных материалов. Для обеспечения минимальной зависимости результатов от вариаций в пределах марочного состава сплавов, стальные образцы изготавливались из одной поковки, листа, полосы или прутка, таким образом имели практически постоянный состав, который выборочно контролировался с применением методов химического и спектрального анализа.
Данные о химическом составе материалов представлены в таблице 2.1. приведены результаты измерения напряженности прибором ИМИ-3. Линейная связь между полем в зазоре и намагничивающим током соответствует участку кривой намагничивания с постоянным наклоном. При приближении к насыщению связь между током и полем становится нелинейной. Для пропорционального возрастания поля необходимо прикладывать все большую магнитодвижущую силу. На практике формула (2.3) справедлива, пока Н0 не достигнет значения, составляющего примерно 60% от величины соответствующей насыщению.
В качестве источника питания для электромагнита ФЛ-1 используется выпрямитель, внешний вид и схема которого а приведены на рис. 2.4 (а, б).
Выпрямитель подключается к силовой сети V=220B, г=50Гц переключателем /77, при этом на лицевой панели загорается сигнальная лампа Л1 белого цвета. Переключатель 772 через свои контакты подключает катушки электромагнита RH к источнику питания. При этом на лицевой панели загорается сигнальная лампа Л2 красного цвета. На лицевой панели выпрямителя расположены регуляторы позволяющие управлять автотрансформатором ATpl, изменяя таким образом ток питающий электромагнит RH. Следить за величиной напряжения и силы тока поступающего на катушки электромагнита можно с помощью вольтметра V и амперметра А, расположенных на лицевой панели выпрямителя. Для выпрямления тока после трансформатора Тр2 используется диодный мост, выполненный на диодах ВЛ25-11.
Для исследования кинетики мартенситного превращения в магнитном поле использовалась установка высокотемпературной металлофафии ИМАШ-5С-65, в вакуумную камеру которой помещался специально созданный миниатюрный электромагнит (рис. 2.5). Магнитопровод из армко-железа, собранный на винтах 7, состоит из полюсов 1, стоек 2 и основания 4, которое крепится к дну вакуумной камеры через фторопластовую шайбу 5. Две намагничивающие катушки 3 намотаны проводом ПЭЛ-1-0,5 и содержат по 1400 витков каждая. Для предотвращения загрязнения газами вакуумной камеры и адсорбции газов поверхностью образца обмотка катушки с лаковой изоляцией провода плотно обматывалась в три слоя фторопластовой пленкой. Образец 6 размещался между полюсами так, что оставался зазор 0,25 мм на сторону. Это положение фиксировалось четырьмя керамическими упорами (на рис. 2.5 не показаны), что исключало возможность притягивания образца к одному из полюсов при включении электромагнита. Размещение электромагнита в вакуумной камере установки ИМАШ-5С-65 иллюстрирует рис. 2.6. В малом зазоре ( 4 мм) такого электромагнита достигались поля напряженностью до 1,6 МА/м.
Неустойчивость кристаллической решетки аустенита перед мартенситным превращением и влияние внешнего магнитного поля в этих условиях
В данном разделе ставилась задача проанализировать термодинамические условия соответствующие неустойчивости кристаллической решётки аустенита перед мартенситным превращением, рассмотреть явления возникающие в состоянии неустойчивости, провести теоретический анализ возможных структурных состояний, обнаруживаемых экспериментально, рассмотреть явление сверхпластичности мартенситного превращения при растяжении в интервале Мн-Мд и влияние оказываемое магнитным полем в этом интервале. Термодинамическая система является устойчивой при условии минимальности термодинамического потенциала G (X) (X, - обобщённые термодинамические координаты): - - = 0, - - 0. При - - = 0, у термодинамический потенциал максимален, а состояние системы неустойчиво. Граница устойчивости системы соответствует —т = 0- Для фазовых і превращений, которые не связаны с перераспределением компонентов и могут быть осуществлены путем однородной деформации элементарной ячейки, т.е. для мартенситных превращений, параметром описывающим превращение, служит деформация решётки при превращении є. Тогда граница термодинамической устойчивости исходной фазы, она же является и границей её механической устойчивости, определяется условием —г- = с = 0 [75], т.е. обращением в нуль модуля упругости с, связанного с деформацией превращения.
Точка фазового перехода второго рода является точкой потери устойчивости для каждой из фаз. Таким образом, если превращение является структурным и разложение термодинамического потенциала в теории Ландау [75] ведется по параметру є (деформация превращения), то при приближении к точке фазового перехода второго рода модули упругости обеих фаз соответствующие деформации превращения, должны уменьшаться и обращаться в нуль в самой точке фазового перехода (рис. 3.8, а). В большинстве случаев структурные фазовые переходы являются переходами первого рода. Однако если в принципе превращение может быть непрерывным и деформация решётки при переходе невелика ("фазовые переходы 1-го рода, близкие к переходам 2-го рода"), то они также могут быть рассмотрены в рамках теории Ландау. С одной стороны, для таких превращений характерно наличие гистерезиса и области сосуществования двух фаз, как для фазовых переходов первого рода. С другой стороны, при приближении к точке перехода сближаются структуры фаз, например, за счёт уменьшения степени тетрагональности тетрагональной фазы при переходе типа "куб - тетрагон" и уменьшаются определённые константы упругости обеих фаз (константы упругости с = -11 в случае переходов "куб - тетрагон") рис. 3.8 (б). Константы упругости обеих фаз остаются конечными в точке фазового равновесия Т0, но обращаются в ноль за точкой Т0, в точках потери устойчивости фаз Та и Т р соответственно. Описанное поведение констант упругости, подтверждается данными полученными в работе [111]. На рис. 3.9 показана температурная зависимость упругой константы сплавов Ni-Al (М„ « 278 К) и Cu-Al-Zn (Мн « 273 К).
С уменьшением температуры наблюдается уменьшение с . Эти результаты предполагают, что неустойчивость решётки возникает в обоих сплавах до мартенситного превращения. В ряде случаев, состояния неустойчивости кристаллической решётки вблизи точки мартенситного превращения характеризуются ближним порядком смещений. Их описывают с помощью представления о флуктуационных волнах смещений [112, 113], что позволяет анализировать картины диффузного рассеяния электронов и рентгеновских лучей. Электронно-дифракционным и рентгеноструктурным методами в работе [114] обнаружено и исследовано диффузное рассеяние в аустените и мартенсите сплавов Fe-Ni (27-50% Ni) в интервале температур от -130 до 600С. Наблюдается закономерная трансформация диффузного рассеяния, связанная с изменением атомно-кристаллической структуры аустенита и мартенсита при приближении к температурам начала прямого Мн и обратного Ан мартенситных превращений. Диффузное рассеяние описывается спектром флуктуационных волн смещений и свидетельствует о наличии значительных смещений атомов, обусловленных "размягчением" кристаллической решётки вблизи точек Мн и А„. Но из наблюдаемого рассеяния однозначно не следует, являются ли вблизи точки превращения смещения атомов квазистатическими, отвечающими за ближний порядок, или динамическими (тепловыми). Представляет интерес провести теоретический анализ возможных структурных состояний, обнаруживаемых экспериментально, и определить наиболее устойчивые термодинамические координации атомов, формирующие ближний порядок смещений. Задача о нахождении условий, при которых возможны квазистатические смещения, состоит в определении условных минимумов свободной энергии G(S(h)), являющейся функционалом от смещений атомов из узлов (h) исходной фазы. Каждому из минимумов соответствует метастабильное состояние с определённым типом перестройки решётки. Их относительная устойчивость и вероятность возникновения зависят от топологии гиперповерхности G, определяемой силами связи атомов. Вид функции S(h) определяется из анализа диффузного рассеяния и кристаллогеометрии возможных структурных состояний. В общем случае бездиффузионной перестройки (рассматриваются коротковолновые смещения, для которых энергия деформации окружающих непревращённых областей минимальна): где At - амплитуда; /, - волновой вектор; w(lj) - вектор поляризации; (pt - фаза і-й волны. Учитывая, что обычно \S(h)\ а (а - параметр решётки), и используя теорию кристаллической решетки Борна, проведем разложение свободной энергии кристалла в ряд по А{. где коэффициенты разложения выражаются через силовые постоянные F 2-го, 3-го и 4-го порядков; wM и cuv - тензор деформации и модули упругости в обозначениях Фойгта. Если сдвиги w и -w не эквивалентны, то Х(.3)не равны тождественно нулю.
Особенности структуры мартенсита, полученного закалкой стали в магнитном поле в температурном интервале сверхпластичности аустенита
В данной главе ставилась задача изучить особенности строения мартенсита, возникающего в стали под действием магнитного поля в температурном интервале Мд-Мн и проанализировать полученные результаты с точки зрения влияния магнитострикционных напряжений, вызванных внешним магнитным полем в ферромагнитных нанокластерах, на образование мартенсита в условиях сверхпластичного аустенита.
Развитие мартенситного превращения в температурном интервале Мд-Мн под действием магнитного поля исследовали на модельной стали аустенитного класса 120X6 (Мн = -10). Эксперимент проводили при охлаждении цилиндрических образцов диаметром 3 и длиной 30 мм в воде, имеющей температуру 20, 10 и 0С, то есть выше температуры Мн на 30, 20 и 10С соответственно. В процессе охлаждения образцы помещали между полюсами электромагнита, при включении которого получали поля, напряженностью 0,8 и 1,6 МА/м.
При охлаждении без магнитного поля до температуры -30 С равномерно по всему объему образца образуется мартенсит пилообразной формы (рис. 4.1). При всех указанных температурах эксперимента охлаждение без включения магнитного поля Рис. 4.1 - Структура стали 120X6 не вызывает в образцах мартенситного после закалки без поля при превращения, так как охлаждение температуре -30С, х400 заканчивается выше Мн.
Влияние магнитного поля иллюстрирует рис. 4.2, из которого видно, что при включении магнитного поля по всему объему образца образуются крупные пластинчатые кристаллы мартенсита, кроме того заметно, что появляется
Эксперименты проводились в полях, гарантирующих магнитное насыщение и парапроцесс не только в масштабе образца (с учётом размагничивающего фактора), но и насыщение мелких ферромагнитных частиц. С этой целью использовался лабораторный электромагнит открытого типа ФЛ-1 (рис.2.1), конструкция которого разработана кафедрой магнетизма физического факультета МГУ.
При расчёте электромагнита ФЛ-1 нужно рассматривать случай когда полюса магнита представлены в виде усеченного конуса с вершиной в начале координат [96] (рис. 2.2).
Для расчета напряженности поля в зазоре электромагнита воспользуемся уравнением: где Ф, - магнитный поток; /, - длина; St - площадь; //, - проницаемость; соответственно все эти величины приведены для і-го участка магнитной цепи; N - число витков намагничивающей катушки; J - ток катушки. магнитное состояние будет уже обусловлено, в основном, положительным обменным взаимодействием.
Можно предположить, что по мере понижения температуры положительное обменное взаимодействие может привести к образованию малых однодоменных ферромагнитноупорядоченных кластеров, обладающих магнитным моментом, не равным нулю даже при отсутствии внешнего магнитного поля. Величина магнитного момента будет изменяться с изменением температуры, так как условия для обменного взаимодействия атомов внутри области и на её периферии различны. Если при высоких температурах основной вклад в результирующий магнитный момент кластера вносят только внутренние ферромагнитноупорядоченные атомы, то по мере понижения температуры всё большая часть периферийных атомов будет участвовать в создании результирующего магнитного момента. В магнитном поле ансамбль таких кластеров будет вести себя как суперпарамагнетик. Таким образом, при приближении температуры к мартенситной точке в аустените возникают малые области ферромагнитного порядка. Эти области могут выступать как вероятные места зарождения кристаллов мартенсита.
Для характеристики состояния вещества при фазовом переходе первого рода в магнитном поле использовали кроме обычных термодинамических параметров дополнительный параметр упорядочения /, введенный Л.Д. Ландау [75] для характеристики переходов второго рода, с помощью которого учитывали появление ближнего порядка в системе электронных спинов. В этом случае с известной степенью условности приписывали, например, мартенситному превращению некоторые черты фазового перехода второго рода, в частности, нескачкообразное увеличение объемной намагниченности (исключая «взрывную» кинетику), вызванное «порционным» атермическим характером процесса. Это условие характеризуется непрерывностью в точке фазового перехода первой производной термодинамического потенциала Ф по обобщенной силе Xt (напряженность магнитного поля), т.е. отсутствием скачка обобщенной координаты х( (намагниченность), так как дФ/дН=1.
