Введение к работе
Все структурные состояния сплавов с повышенной свободной энергией можно представить в виде двух групп по величине этой энергии: с относительно небольшим избытком свободной энергии и с большим (так называемые сильно неравновесные состояния). Состояния первой группы могут сохраняться очень длительное время. Структура сплавов второй группы гораздо менее стабильна, и систематическое изучение ее изменения является важным как для развития теории фазовых превращений, так и для решения практических задач по выбору режимов обработки материалов.
Сплавы на основе железа - наиболее распространенные конструкционные материалы, у которых возможны и используются на практике, пожалуй, все основные факторы, вызывающие отклонения от равновесия:
отсутствие кристаллической решетки в твердом состоянии (аморфизация);
отличие типа кристаллической решетки от равновесного (переохлажденный аустенит);
пересыщение твердого раствора элементами внедрения или замещения; разупорядочение атомов легирующих элементов;
повышенная концентрация точечных (вакансии и комплексы на их основе), наличие линейных (дислокации и дисклинации), поверхностных (границы зерен и фаз, субграницы), объемных (поры и трещины) дефектов кристаллической решетки;
механические напряжения;
дефекты ферромагнитной структуры;
искусственно созданные градиенты химического состава и свойств.
Свойства сплавов железа в сильно неравновесных состояниях можно направленно изменять, поэтому материалы в таких состояниях представляют огромный практический интерес. В связи с этим сплавы на основе железа явились основным объектом данной работы.
Сплавы железа наиболее известны и изучены в металлофизике и теоретическом и практическом материаловедении. Поэтому для повышения их свойств надо использовать все более тонкие методы воздействия, основанные на более глубоком понимании механизмов и кинетики процессов формирования и преобразования структуры. Однако до настоящего времени нет полного представления о взаимодействии дефектов кристаллической решетки, фазовых и структурных превращениях, реализации конкретных механизмов в твердом состоянии и особенно в сильно неравновесных и градиентных состояниях в этих сплавах, когда небольшие воздействия могут существенно изменить характер превращения. Необходимость получения таких знаний для научных и технических целей термической обработки конкретных сплавов обусловила актуальность данной работы.
Сильно неравновесные состояния в сплавах железа могут быть достигнуты различными способами. Любым способом полученные сильно неравновесные состояния сплавов при последующих внешних воздействиях на них с развитием диффузионных процессов переходят в состояния с меньшей свободной энергией. До настоящего времени такие состояния и процессы в сплавах, как правило, изучены изолированно друг от друга (в основном по способу получения), хотя их сравнение показывает, что они имеют много общего. Наиболее существенные признаки и управляющие параметры таких систем не были выявлены.
Цель настоящей работы заключалась в выявлении особенностей и установлении закономерностей формирования и преобразования структуры в углеродистых сталях и специальных сплавах на основе железа, подвергаемых закалке и последующему отжигу (отпуску), связанных с влиянием взаимодействия дефектов кристаллической решетки. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
4 1. Систематизация и классификация структур сплавов железа, получаемых закалкой, на основании уровня их избыточной свободной энергии и концентрации дефектов разных типов.
-
Уточнение общих закономерностей и выявление особенностей формирования структуры сплавов железа с элементами замещения и/или внедрения при закалке из различных агрегатных состояний: твердого, жидкого, газообразного.
-
Выявление особенностей протекания диффузионных процессов в сплавах железа с ОЦК решеткой, связанных с взаимодействием дефектов решетки (особенно атомов внедрения).
-
Установление и уточнение закономерностей влияния дефектов решетки на механизм и кинетику превращений диффузионного и сдвигового типов в переохлажденном аустените.
-
Установление и уточнение закономерностей протекания процессов отпуска мартенсита в углеродистых сталях.
-
Выявление особенностей влияния градиентов температуры, напряжений, химического состава на взаимодействие дефектов решетки и формирование структуры и структурно-чувствительных свойств в сплавах железа с элементами замещения и внедрения.
-
Использование выявленных особенностей и установленных закономерностей формирования структуры для решения прикладных задач повышения эффективности термической обработки, обеспечивающей необходимые функциональные характеристики продукции из углеродистых (с 0,4...0,8 % С), низколегированных и инструментальных сталей.
В качестве основного критерия неравновесности состояния материала была принята оценка избыточной свободной энергии различных структурно-фазовых состояний железа и его сплавов. На основании собственных и литературных, расчетных и экспериментальных данных рассмотрены конкретные механизмы и кинетика процессов последовательного перехода в промежуточные метастабильные и стабильные состояния в зависимости от химического состава, характера исходного состояния и параметров внешних воздействий.
Большое количество противоречивых литературных данных, особенно касающихся конкретных механизмов, температурно-временных интервалов низкотемпературных или быстро протекающих превращений, обусловило необходимость разработки новых экспериментальных приемов и методик исследования. Исследования были проведены на большом числе сплавов железа (системы Fe-C, Fe-Мп-С, Fe-Ni, Fe-W-Mo-Cr-V-C, Fe-Zr-N, Fe-Zr-Al-N-O, Fe-Cr-Ni-N-C с небольшими добавками других легирующих элементов, композиционные материалы ТіС/сталь).
Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:
- Установлены особенности и уточнены закономерности формирования структуры в
сплавах железа с 0,3...2,0 мас.% С - как без других легирующих элементов, так и в
присутствии сильных карбидообразователей; в азотсодержащей высокопрочной стали,
в сплавах на основе Fe-Si-Al, в сплавах типа Fe-Zr-(Al)-N-(0), композиционных мате
риалах ТіС/сталь, Fe-(C)/Ni при закалке в твердом, из жидкого и из газообразного со
стояний.
Показано, что переход сплавов железа из сильно неравновесных состояний с избыточной свободной энергией от десятков до тысяч Дж/моль в состояния с меньшей избыточной свободной энергией может быть обратимым, когда осуществляется путем кооперативного перемещения и атомов, и дефектов решетки, а их индивидуальное (диффузионное) перемещение приводит к необратимости этого перехода.
- Установлен порядок и температурно-временные условия протекания процессов, пред
шествующих двухфазному распаду мартенсита углеродистой стали: обратного мар-
тенситного превращения, распада цепочек вакансий на моновакансии, образования уг-
лерод-вакансионных кластеров и стока вакансий.
Выявлено, что процесс двухфазного распада углеродистого мартенсита идет в две последовательные стадии: диффузия углерода и сдвиговое превращение обогащенных углеродом областей в гексагональный промежуточный е-карбид, химический состав
5 которого определен как РезС, определены геометрические пределы существования Є-карбида.
Определены температурно-временные интервалы образования различных продуктов превращения переохлажденного - в том числе остаточного - аустенита при нагреве высокоуглеродистой стали: бейнитной "бахромы" вокруг кристаллов мартенсита при температурах выше 398 К, новых кристаллов изотермического мартенсита выше 473 К и тонкопластинчатого перлита выше 523 К.
- Установлена взаимосвязь между энергией активации диффузионного распада переох
лажденного твердого раствора и параметрами С-образной диаграммы его распада -
температурой минимальной устойчивости исходного твердого раствора и температу
рой сольвуса или эвтектоидного превращения.
Обнаружено, что в многокомпонентном материале изменение скорости диффузионного перераспределения металлических атомов при добавлении элемента внедрения с различным сродством к компонентам основы зависит от их исходного распределения (в том числе и для атомов, не участвующих в образовании фаз внедрения). Эта скорость возрастает, если металлические атомы исходно составляли однородный твердый раствор, и уменьшается, если различные металлы исходно располагались отдельно (в композиционном материале).
Установлено, что при формировании текстуры мартенсита в сплавах железа с элементами внедрения внутренние напряжения вызывают неравновероятность реализации различных вариантов ориентационного соотношения и преимущественную ориентацию длинной оси тетрагональной ячейки вдоль направления действия растягивающих напряжений.
Обнаружено различное влияние внешнего магнитного поля на характеристики внутреннего трения в магнитно-мягком материале: оно не влияет на амплитудно-зависимое внутреннее трение в сплаве сендаст, но амплитудно-независимое внутреннее трение в переменном магнитном поле существенно снижается. Это связано с тем, что энергию на отрыв границ магнитных доменов от мест их закрепления дают не механические колебания, а колебания магнитного поля.
Исследовано влияние условий магнетронного напыления и вакуумного отжига перспективных магнитно-мягких Fe-Zr-N и Fe-Zr-Al-N-O пленок на их структуру, химический и фазовый состав, выявлены условия частичной и полной аморфизации напыленных сплавов и получения наилучших магнитно-мягких свойств (Нс = 4 А/м).
Практическая значимость результатов исследования заключается в следующем: На основании выявленных закономерностей влияния температурно-временньгх условий на протекание превращений при отпуске мартенсита и остаточного аустенита разработаны и опробованы технологические режимы скоростных закалки и отпуска проволоки из углеродистых сталей 45, 50, 55, 60, 70, обеспечивающие выполнение требований ТУ 14—178-239-92 к свойствам указанных сталей.
Установленная взаимосвязь между энергией активации диффузионного распада переохлажденного аустенита и параметрами С-образной диаграммы его распада и выявленные закономерности влияния взаимодействия дефектов решетки на механизм и кинетику протекания превращений использованы для разработки технологии ускоренного охлаждения горячекатаного подката для высокоточного сортового подката. Методика расчета температуры минимальной устойчивости переохлажденного твердого раствора, основанная на установленной взаимосвязи между энергией активации диффузионного распада и параметрами С-образной диаграммы этого распада позволила осуществить выбор закалочных сред при термической обработке изделий сложной формы, что использовано для сталей 40Х, У8, ШХ15, Х12Ф1 и алюминиевых сплавов.
6 - Разработана и опробована технология поверхностной обработки инструментальных сталей с нагревом сконцентрированным световым потоком, обеспечивающая закалку поверхностных слоев глубиной несколько миллиметров.
- Разработана методика получения слоистого материала сталь СтЗ / латунь Л72 / высо
копрочная коррозионностойкая азотсодержащая сталь 08Х14АН4МДБ, включающая
высокотемпературную пайку, закалку с нагрева под пайку и отпуск, которая обеспечи
вает высокие прочность и пластичность этого материала.
Разработана методика выделения компонент разностных спектров времен жизни позитронов, позволившая исследовать процессы закалки, старения и отпуска углеродистой стали и измерить время жизни позитронов в различных фазах углеродистой стали. Разработана методика создания из порошковых материалов объекта для исследований методом просвечивающей электронной микроскопии путем гальванического осаждения связующего металла с иной кристаллической решеткой и последующего ионно-лучевого утонения полученной заготовки фольги.
Определен критерий коробления изделий при термической обработке, учитывающий температурное расширение материала и геометрические параметры изделия.
- Разработана методика и создана установка для измерения параметров затухания ульт
развука в твердом теле с одновременным наложением продольного постоянного и/или
переменного магнитного поля.
Практическая значимость результатов работы подтверждена актами опробования, опытно-промышленных испытаний и использования результатов работ при разработке эффективных технологии производства стального проката и восстановления режущего инструмента, использования разработанных методик в научных исследованиях, использования полученных в работе результатов в учебном процессе на предприятиях и в организациях Российской Федерации.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на следующих научных форумах: Всесоюзной конференции по мартенситным превращениям в твердом теле, г.Косов, Ивано-Франковской обл., 1991 г.; XIV Всесоюзной конференции по тепловой микроскопии, Воронеж, 1992 г; Международных конференциях по мартенситным превращениям - ICOMAT-92, Monterey, California, USA, 1992, ICOMAT-02, Helsinki, Finland, 2002, ICOMAT-05, Shanghai, China, 2005; MRS 1994 Fall Meeting, Boston, USA; Международной научно-технической конференции "Металознание, металлолеене и тер-мично обработвание", г.Ловеч, Болгария, 1995 г.; XV и XVII Всероссийских школах-семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" Москва, 1996 г. и 2000 г.; Российско-Японском совместном семинаре "The Physics and Modeling of Intelligent Materials and their Applications" (РМГМА) Moscow, 1996 г.; IV Межгосударственном семинаре "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий (MHT-IV)", Обнинск, 1997 г.; XIV, XV, XVI и XVII Уральских школах металловедов-термистов - Ижевск, 1998 г., Екатеринбург, 2000 г., Уфа, 2002 г., Тольятти, 2006 г.; Мемориальной международной Курдюмовской конференции KUMICOM-99, Москва, 1999 г.; XIV Международной конференции по магнитно-мягким материалам SMM-14, Balatonfured, Hungary, 1999 г.; 8-ой Европейской конференции "Magnetic Materials and Applications EMMA-2000", Kyiv, Ukraine, 2000; Международной конференции "New Materials and New Technologies in New Millenium NMNT-2000", Crimea, Ukraine, 2000; Международной конференции "Аморфные прецизионные сплавы: технология - свойства - применение", Москва, 2000 г.; 5-м Собрании металловедов России, Краснодар, 2001 г.; X Международной конференции "Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах", Тула, 2001 г.; 1,11 и III Евразийских научно-практических конференциях "Прочность неоднородных структур" ПРОСТ-2002, Москва, 2002 г., ПРОСТ-2004, Москва, 2004 г. и ПРОСТ-2006, Москва, 2006 г; Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов» Черноголовка, 2002 г.; XL международном семинаре "Актуальные проблемы
7 прочности" Великий Новгород, 2002 г.; Международной конференции "Process-ing&Manufacturing of Advanced Materials THERMEC'2003", Leganes, Madrid, 2003; XV Международной конференции ; "Физика прочности и пластичности материалов" Тольятти, 2003 г.; Международной научно-технической конференции "Теория и технология процессов пластической деформации -2004" Москва, 2004 г.; Международной конференции "Advanced Materials & Technologies АМТ-2004" Lodz, Poland, 2004 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 34 печатных работах, список которых приведен в конце реферата.
Структура и объем диссертации. Материал диссертации изложен на 206 страницах текста, содержит 79 рисунков, 52 таблицы, библиография - 302 наименования. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, 10 приложений.
