Новый подход к описанию мартенситных преавращений и хрупкости в системе «железо-углерод-вакансии»

Теоретически исследована роль упругих напряжений в формировании структурно-фазовых состояний в системе «железо–углерод-вакансии». Построена петля гистерезиса, описывающая процесс γ↔ α-превращений в поле упругих напряжений. Силовые условия неравновесных мартенситных γ↔ α-превращений в этом пространст...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Лаптев, И.Н., Пархоменко, А.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2010
Schlagworte:	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/14943
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Новый подход к описанию мартенситных преавращений и хрупкости в системе «железо-углерод-вакансии» / И.Н. Лаптев, А.А. Пархоменко // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 1. — С. 8-14. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-14943
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-149432011-01-03T12:05:46Z Новый подход к описанию мартенситных преавращений и хрупкости в системе «железо-углерод-вакансии» Лаптев, И.Н. Пархоменко, А.А. Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Теоретически исследована роль упругих напряжений в формировании структурно-фазовых состояний в системе «железо–углерод-вакансии». Построена петля гистерезиса, описывающая процесс γ↔ α-превращений в поле упругих напряжений. Силовые условия неравновесных мартенситных γ↔ α-превращений в этом пространстве определяются вектором, соединяющим любые две точки, лежащие на противоположных ветвях петли гистерезиса. Модель может быть использована для описания фазовых превращений и прогнозирования работоспособности материалов в сложных температурно-силовых полях, включая реакторное облучение. Предложен новый подход к определению температуры хрупковязкого перехода ОЦК-металлов. Теоретично досліджена роль пружних напружень у формуванні структурно-фазових станів у системі «залізо-вуглець-вакансії». Побудовано петлю гістерезису, що описує процес γ↔ α-перетворень у полі пружних напружень. Силові умови нерівноважних мартенситних перетворень у цьому просторі визначаються вектором, що з'єднує будь-які дві крапки, що лежать на протилежних гілках петлі гістерезису. Модель може бути використана для опису фазових перетворень і прогнозування працездатності матеріалів у складних температурно-силових полях, включаючи реакторне опромінення. Запропоновано новий підхід до визначення температури крихков'язкого переходу ОЦК-металів. The role of the elastic stresses in formation of structural-phase conditions in system «iron-carbon-vacancies» is theoretically investigated. The loop of a hysteresis describing process of transformations into a field of elastic stress is constructed. Force conditions nonequilibrium martensitic γ↔ α transformations into this space are determined by a vector connecting any two points, loops of a hysteresis laying on opposite branches. The model can be used for the description of phase transformations and forecasting of serviceability of materials in complex thermal-power fields, also reactor irradiation. The new approach to definition of the ductile-brittle transition temperature (DBTT) bcc-metals is offered. 2010 Article Новый подход к описанию мартенситных преавращений и хрупкости в системе «железо-углерод-вакансии» / И.Н. Лаптев, А.А. Пархоменко // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 1. — С. 8-14. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/14943 539.2:536 ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
spellingShingle	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Лаптев, И.Н. Пархоменко, А.А. Новый подход к описанию мартенситных преавращений и хрупкости в системе «железо-углерод-вакансии»
description	Теоретически исследована роль упругих напряжений в формировании структурно-фазовых состояний в системе «железо–углерод-вакансии». Построена петля гистерезиса, описывающая процесс γ↔ α-превращений в поле упругих напряжений. Силовые условия неравновесных мартенситных γ↔ α-превращений в этом пространстве определяются вектором, соединяющим любые две точки, лежащие на противоположных ветвях петли гистерезиса. Модель может быть использована для описания фазовых превращений и прогнозирования работоспособности материалов в сложных температурно-силовых полях, включая реакторное облучение. Предложен новый подход к определению температуры хрупковязкого перехода ОЦК-металлов.
format	Article
author	Лаптев, И.Н. Пархоменко, А.А.
author_facet	Лаптев, И.Н. Пархоменко, А.А.
author_sort	Лаптев, И.Н.
title	Новый подход к описанию мартенситных преавращений и хрупкости в системе «железо-углерод-вакансии»
title_short	Новый подход к описанию мартенситных преавращений и хрупкости в системе «железо-углерод-вакансии»
title_full	Новый подход к описанию мартенситных преавращений и хрупкости в системе «железо-углерод-вакансии»
title_fullStr	Новый подход к описанию мартенситных преавращений и хрупкости в системе «железо-углерод-вакансии»
title_full_unstemmed	Новый подход к описанию мартенситных преавращений и хрупкости в системе «железо-углерод-вакансии»
title_sort	новый подход к описанию мартенситных преавращений и хрупкости в системе «железо-углерод-вакансии»
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/14943
citation_txt	Новый подход к описанию мартенситных преавращений и хрупкости в системе «железо-углерод-вакансии» / И.Н. Лаптев, А.А. Пархоменко // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 1. — С. 8-14. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT laptevin novyjpodhodkopisaniûmartensitnyhpreavraŝenijihrupkostivsistemeželezouglerodvakansii AT parhomenkoaa novyjpodhodkopisaniûmartensitnyhpreavraŝenijihrupkostivsistemeželezouglerodvakansii
first_indexed	2025-07-02T16:27:50Z
last_indexed	2025-07-02T16:27:50Z
_version_	1836553255614676992
fulltext	УДК 539.2:536 НОВЫЙ ПОДХОД К ОПИСАНИЮ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕАВРАЩЕНИЙ И ХРУПКОСТИ В СИСТЕМЕ «ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД-ВАКАНСИИ» И.Н. Лаптев, А.А. Пархоменко Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина Теоретически исследована роль упругих напряжений в формировании структурно-фазовых состояний в системе «железо–углерод-вакансии». Построена петля гистерезиса, описывающая процесс γ α- превращений в поле упругих напряжений. Силовые условия неравновесных мартенситных γ α- превращений в этом пространстве определяются вектором, соединяющим любые две точки, лежащие на противоположных ветвях петли гистерезиса. Модель может быть использована для описания фазовых превращений и прогнозирования работоспособности материалов в сложных температурно-силовых полях, включая реакторное облучение. Предложен новый подход к определению температуры хрупковязкого перехода ОЦК-металлов. 1. ВВЕДЕНИЕ Несмотря на почти вековую историю исследований γ α-мартенситных превращений [1], природа их до конца не изучена. В этой связи уместно привести цитату из работы [2]: «…физическое описание природы этого превращения сейчас, как и тогда (во времена Г.В. Курдюмова), далеко от завершения». Таким образом, исследования механизмов образования мартенсита по-прежнему остаются актуальными. Об этом свидетельствуют и фундаментальные исследования, выполненные в последние годы в ИМФ НАНУ, связанные с изучением особенностей релаксационных процессов и деформационных явлений при мартенситных превращениях [2, 3, 4 и др.]. Особенно актуальным вопрос о γ αм- превращениях является для радиационного материаловедения, где специальные исследования в этой области, практически, не ведутся, несмотря на целый ряд имеющихся экспериментальных результатов, свидетельствующих о протекании γ α- фазовых переходов в реакторных материалах под облучением [см., например, 5-10]. В работе [9] авторами было высказано предположение, что релаксация упругих напряжений в облучаемых аустенитных сталях возможна в результате мартенситных γ α- превращений, в которых объемные несоответствия образующихся фаз компенсируются выделением или поглощением вакансий. Дальнейшие теоретические исследования, основанные на этом предположении [10], позволили построить диаграмму ГЦК ОЦК полиморфных превращений и показать, что между ГЦК- и ОЦК-фазами существует непрерывный спектр ОЦТ-состояний. Эти состояния определяются только концентрацией и анизотропией распределения вакансий или тензором действующих упругих напряжений (внутренних или приложенных извне). Только в последнее время в литературе появились экспериментальные данные [11], которые позволили авторам сделать вывод, что распухание сталей под облучением неразрывно связано с γ α- фазовыми превращениями в поле растягивающих напряжений. Этот вывод находится в полном согласии с выдвинутой в [10] гипотезой. В настоящей работе рассмотрен новый подход к описанию и исследованию условий мартенситообразования в железе и сплавах на его основе под действием упругих напряжений, обусловленных влиянием температур, давлений, легирования (в том числе и вакансиями), закалки, деформаций и облучения. 2. О НОВОМ ПОДХОДЕ К ОПИСАНИЮ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В отличие от существующих теорий, в которых мартенситные превращения, даже в сталях, рассматриваются как фазовые превращения в однокомпонентных системах, в данной работе железо рассматривается, как двухкомпонентная система «железо–вакансии». Базисом нового подхода является диаграмма ГЦК ОЦК-превращений в поле упругих напряжений. При построении диаграммы использовались три принципа: - кристаллография превращений соответствует схеме Бейна для идеального монокристалла; - деформация бейновского объема отвечает минимуму изменения (∆V/V) при фазовом переходе; - относительный объем фазового несоответствия (∆V/V) обусловлен только вакансиями, которые либо поглощаются, либо выделяются при фазовом превращении. Если третий принцип постулируется, то два первых использовали для выбора кристаллографических конфигураций ГЦК ОЦК- превращений. Изменение относительного объема (∆V/V) может быть вычислено как функция некоего угла ϕ, который составляет направление <001> элементарной объемно центрированной ячейки (в феррите и аустените) с предполагаемой кристаллографической плоскостью сдвига. Этот угол изменяется в пределах от 35°15′ до 45°. Изменение ∆V/V при прямом γ α и обратном 8 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2010. №1. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (95), с. 8-14. превращениях сводится к двум элементарным соотношениям (уравнения непрерывности): ϕ⋅ϕ⋅ −= Δ sincos22 11 V v 2 , (1) 2 sincos33 1 V v 2 ϕ⋅ϕ⋅ −= Δ . (2) Кривые, построенные по этим соотношениям, можно объединить в виде петли гистерезиса (рис.1). Рис. 1. Петля гистерезиса и ее изолинии: АF - изотерма (одноосное растяжение-сжатие); СF - изобара (чистый сдвиг); МF - изохора (всестороннее растяжение-сжатие); ik - произвольный вектор напряжения мартенситного γ α-превращения; σn = σn (v) + σn (c) и σt = σt (v) + σt (c) – нормальные (σn) и тангенциальные (σt) составляющие вектора ik; символы “v” и “c” обозначают вакансионную и углеродную части составляющих соответственно. Кривая MR – зависимость температуры начала образования мартенсита МS от содержания углерода в железе, построенная по данным [12]. Точки на кривой - значения МS, рассчитанные по диаграмме Следующим этапом работы было построение температурно-силового поля. Учитывая, что ∆V/V ≈ сv, а V VKn Δ ⋅=σ (где К – модуль объемного растяжения (сжатия); – нормальные напряжения), ось nσ V VΔ может быть нормирована как относительно сv, так и относительно nσ . Если вертикаль нашей диаграммы соответствует нормальным напряжениям (σn), то естественно полагать, что перпендикулярная к ней ось углов ϕ одновременно является и осью тангенциальных (σt) напряжений. Дополним нашу петлю гистерезиса зависимостью ∆V/V(ϕ) от концентрации углерода в закаленном железе [12]. Вычисленные из экспериментальных кривых значения ∆V/V(ϕ) для различных концентраций углерода пропорционально укладываются на прямую линию FA (см. рис. 1). Данные работы [12] демонстрируют зависимость параметров решетки мартенсита от содержания углерода в твердом растворе в железе. Их отношение с/а определяет степень тетрагональных искажений (в дальнейшем просто тетрагональность). В промежутке между ОЦК–ГЦК фазовыми состояниями тетрагональность изменяется от 1 до 2½. Связь концентраций углерода с ∆V/V и с тетрагональностью позволяет нормировать ось σt, т.е. построить силовое поле. Чтобы преобразовать силовое поле в температурно-силовое поле γ α-превращений в железе, необходимо знать зависимость ∆V/V(ϕ) при различных температурах. Линия FA нашей диаграммы соответствует изменению ∆V/V(ϕ) при 20 °С (двадцатиградусная углеродная изотерма). Используя справочные данные [13] о коэффициентах термического расширения для закаленных сплавов Fе-С с содержанием в них углерода от 0 до 1,5 вес.%, можно вычислить ∆V/V для различных температур от 20 до 1000 °С. В области указанных концентраций углерода результаты вычислений вплоть до 700 °С укладываются на линии (углеродные изотермы), параллельные линии FA. С ростом температуры зависимости ∆V/V(ϕ) в линейной пропорциональности смещаются в сторону более высоких значений. Таким образом, мы нанесли на диаграмму сетку температур и, тем самым, завершили построение температурно-силового поля. Диаграмма размещается в поле между изотермами 50 и 912 °С в области давлений от 0 до 12,5 ГПа и является линией непрерывных ОЦТ- искажений объема Бейна при ГЦК ОЦК фазовых превращениях монокристалла чистого железа под действием упругих напряжений и (или) температур. Если в процессе превращения по каким-то причинам тетрагональность (или точка напряженного состояния) системы оказывается независимой от температуры и давления, непрерывность ГЦК-ОЦК- перехода нарушается, и в системе начинают накапливаться внутренние упругие напряжения. Как только вектор накапливающихся напряжений или любая из его составляющих (σn или σt) по величине оказываются равными расстоянию между ветвями петли, происходит скачок точки напряженного состояния с одной ветви петли на другую. Этот скачок соответствует изменению напряженного состояния (или тетрагональности) и (или) объема системы и называется процессом мартенситообразования. Направление и величина силового вектора ik (см. рис.1) однозначно связаны с кристаллографией и основными параметрами Р, Т 9 и V, определяющими термодинамику непрерывного процесса и процесса мартенситного превращения. Параметры сопоставимы и каждый является эквивалентом двух других или концентрации вакансий cv (табл. 1). Таблица 1 Соотношения между некоторыми величинами температурно-силового поля Т, ºС Сv, об. % σn, кг/мм2 С, вес. % 1 0,00461 0,738 0,00494 216,7 1 160,0 1,07 1,354 0,00625 1 0,00669 202,5 0,9346 149,5 1 По построению любая точка исходной петли гистерезиса является точкой напряженного состояния идеального монокристалла чистого железа. Все остальные точки поля – это точки деформированных петель гистерезиса, описывающих различные структурно-фазовые состояния чистого железа и более сложных систем (сталей и сплавов на основе железа). Так, например, в результате закалки чистого железа его точка напряженного состояния М оказывается в точке F (рис. 2). Это означает, что через эту точку может быть проведена новая петля гистерезиса, которая описывает условия непрерывности γ α- превращений в феррите. Охлажденный до комнатной температуры феррит образовался из высокотемпературного аустенита, растворив в своей решетке около 2,5% закалочных вакансий. Точка напряженного состояния чистого железа всегда находится на вертикале ГЦК- или ОЦК-состояний и является точкой равновесия гидростатических напряжений сжатия и растяжения, обусловленных вакансиями и структурой. Всякий раз изменение положения точки силового равновесия будет сопровождаться деформацией петли гистерезиса. Каждая новая петля будет также описывать непрерывный процесс полиморфного γ α- превращения, но для иного структурно- напряженного состояния системы. Введение углерода в железо порождает тетрагональность в сплавах Fe-C, практически, независимую ни от температуры, ни от давления при быстром их изменении, например, в процессе закалки углеродистых сталей. В такой системе через точку напряженного состояния (точка тетрагональности – а', см. рис. 2) проходит две петли гистерезиса, т.е. наблюдается расщепление петель (отрезок МF'). Расщепление петель возрастает с ростом содержания углерода в твердом растворе и тетрагональности системы. В точке напряженного состояния расщепленной пары петель система способна накапливать упругие напряжения. Если в процессе закалки накапливаются сжимающие напряжения, то в системе реализуется прямой мартенситный переход. Процесс описывает силовой вектор а'-n в нижней петле гистерезиса. При быстром нагреве обратный мартенситный переход описывает силовой вектор а'-m в верхней петле. Расщепление углеродных петель позволяет объяснить природу возникновения мартенсита в углеродистых сталях, определить температуры его начала и окончания, а также объяснить природу мартенситообразования в переохлажденном аустените при отогреве. Петли гистерезиса позволяют определять фазовый состав и содержание карбидов в сталях при любой температуре и давлении. В табл. 2 приведены расчетные величины содержания остаточного аустенита в закаленных сплавах Fe-C в зависимости от концентрации углерода в твердом растворе при 20 °С. 3. О НОВОМ ПОДХОДЕ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ТЕМПЕРАТУРЫ ХРУПКОВЯЗКОГО ПЕРЕХОДА Исследования свойств петли гистерезиса γ α- полиморфных фазовых превращений позволяют предложить новую модель хрупкого разрушения ОЦК-металлов и сплавов и на ее основе объяснить явления отпускной хрупкости, сверхупругости и сверхпластичности. Модель позволяет также определять температуру вязко-хрупкого перехода без применения разрушающих методов контроля. Суть модели – разрушение ОЦК-металлов и сплавов, обусловлена обратным мартенситным превращением, протекающим в поле гидростатических растягивающих напряжений с образованием вакансионного комплекса. В зависимости от величины активационного объема и энергии дефекта упаковки комплекс может выделяться в виде дислокационной петли вакансионного типа, вакансионного диска, поры или трещины. Теоретически любое увеличение свободной поверхности твердого тела следует понимать как разрушение, а образование вакансионной поры или трещины в поле упругих напряжений следует трактовать как хрупкое разрушение. В теории минимум потенциальной энергии системы отвечает минимальной работе хрупкого разрушения, а температура, соответствующая этому процессу, определяется как температура вязко- хрупкого перехода (Тх). Расчет изменения удельной потенциальной энергии вдоль петли гистерезиса обнаруживает ее минимум, который располагается на исходной петле вблизи точки Н (см. рис. 1). Если к нижней ветви петли гистерезиса провести касательную, проходящую через точку минимума потенциальной энергии, то эта касательная укажет на шкале температур самую высокую температуру, при которой система в результате обратного мартенситного превращения разрушается абсолютно хрупко. Именно эта температура определяет Тх системы, фазовые переходы в которой описывает данная петля. Увеличение угла наклона касательной соответствует росту температуры хрупковязкого перехода. Таким образом, задача определения Тх – это задача определения точки минимума потенциальной энергии любой ферритной (ОЦК) системы на ее петле гистерезиса γ α-фазовых превращений. 10 Определяемое по диаграмме значение Тх чистого железа лежит около -200 °С. Как следует из диаграммы, ветви петли сходятся вблизи точек О и М при температурах, близких к температурам низко- и высокотемпературного охрупчивания сталей. Если в какой-то стали при отпуске вблизи этих температур возникает и сохраняется после охлаждения тетрагональность, связанная с расщеплением парной петли (например, в углеродистых сталях вблизи 300 °С образуются когерентные предвыделения карбидов), то система оказывается склонной к хрупкому разрушению при более высоких температурах. Чем больше тетрагональность (или ширина расщепления петель), тем выше температура вязкохрупкого перехода (Тх). Если же расщепления парной петли не наблюдается (отпуск углеродистых сталей при температурах выше 500 °С приводит к обособлению карбидов), то Тх такой стали будет близко к температуре вязкохрупкого перехода чистого железа. В чистом железе расщепление парной петли невозможно, следовательно, невозможно и образование мартенсита закалки. Рис. 2. Эволюция исходной петли Оb''b'Ma'a''O в петлю Оa'F'O в результате закалки. Расщепление диаграммы закаленного железа под действием сжимающих напряжений и возникновение тетрагональности системы - а'-F (см. текст) 4. СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ Справедливость модели подтверждают: 1. Соответствие расчетов остаточного аустенита (см. табл. 2) и температур (Мs) (начала мартенситных превращений) (см. рис. 1) по нашей диаграмме с экспериментальными данными, полученными для закаленных сталей с различным содержанием углерода и приведенными, например, в монографии [12]. Таблица 2 Содержание остаточного аустенита в закаленных сталях в зависимости от концентрации углерода С, вес. %, γост., % [9] γост., % (расчет) 0,6 2...3 — 0,8 3...6 — 1,0 6...15 ∼15 1,2 9...30 ∼30 1,4 30...50 ∼40 1,6 50...80 ∼65 2. Соответствие расчетных и экспериментальных данных зависимостей температуры хрупковязкого перехода от различных параметров. 2.1. Влияние содержания углерода. Как следует из диаграммы, с ростом содержания углерода в твердом растворе в закаленных сплавах Fe-C петли расщепляются и тем больше, чем больше содержание углерода. Как пример расщепления петель можно рассматривать петли, приведенные на рис. 2. Одна из них проходит через точку М, другая – F'. Общая точка пересечения этих петель - а' определяет тетрагональность системы, т.е. степень отклонения точки напряженного состояния системы от вертикали ОЦК-состояний. Температуру Тх контролирует верхняя петля, так как она описывает обратные мартенситные превращения под действием растягивающих напряжений. С ростом тетрагональности (увеличение расщепления петель) верхняя петля будет смещаться в сторону роста температуры. Вместе с деформацией петли будет происходить увеличение угла наклона касательной, проведенной через энергетический минимум петли (точка Н на рис. 1), и согласно данной модели Тх системы будет возрастать. Это находится в соответствии с данными экспериментов, проведенных на чистом железе, в которых обнаружен рост Тх от концентрации углерода [14]. Таким образом, данная модель адекватно описывает экспериментальные результаты зависимости Тх от концентрации углерода в твердом растворе железа. 2.2. Зависимость от температуры закалки. Определяемое по диаграмме значение Тх закаленного железа лежит вблизи абсолютного нуля температур, что находится в соответствии с результатами работы [14], где показано, что Тх чистого железа находится в интервале 1…20 К. 3. Совсем недавно установлено, что в облученных аустенитных сталях наблюдается вязко- хрупкий переход, связанный с γ-α-превращением [11, 15]. Критическое значение распухания при этом составляет порядка 7%. Исследования показали, что в материале при таких объемных изменениях действует шаровой тензор растягивающих напряжений. Как видно из рис. 1, эта величина объемных изменений близка (учитывая идеальность решетки) к значению объема фазового 11 несоответствия (8,14%) при завершении фазового перехода γ-α. Впервые идея о связи распухании c фазовыми, но мартенситными γ-α-превращениями и хрупкостью была высказана в [9, 10]. 4. Сравнение с Р-Т-диаграммой железа. Совпадение с экспериментальными данными имеется и для величин напряжений. Так, завершению ГЦК-ОЦК-перехода (см. рис. 1) соответствуют напряжения 12,5 ГПа, что совпадает по величине с напряжением фазового превращения в железе на Р-Т-диаграмме [16]. В предлагаемой модели, именно в приближении к точке О под действием тангенциальных напряжений в железе, должен возникать ε-мартенсит, так как здесь сдвиговые напряжения в петлях оказываются меньше нормальных, ответственных за обратные мартенситные превращения. Такое же значение напряжения завершения ГЦК- ОЦК фазового перехода (12,5 ГПа) дает и компьютерное моделирование, выполненное для сплава железо-медь (модельного материала для корпусной стали) [17]. Оценка влияния вакансий на величину давления этого перехода показала, что оно уменьшается приблизительно на 2 ГПа при концентрации вакансий, равной 2,5 %. Суммарное влияние вакансий и матрицы снижает давление перехода до 7,5 ГПа. В рамках предлагаемой модели также можем оценить влияние вакансий. Так, в соответствии с табл. 1 один процент вакансий в чистом железе приводит к снижению напряжения перехода на 1,6 ГПа. При концентрации вакансий 2,5 % напряжение фазового перехода в закаленном чистом железе окажется равным 8,5 ГПа, что находится в неплохом соответствии с результатами приведенной выше работы. Важные выводы позволяет сделать сопоставление наших диаграмм с Р–Т-диаграммой железа (рис.3). Рис. 3. Р-Т-диаграмма железа с петлей гистерезиса фазовых превращений, предлагаемой в данной работе (линия О-М-О), иллюстрирующая путь перехода из точки 240 °С в тройную точку М Фактически каждой точке поля Р–Т-диаграммы соответствует определенное значение фазового объема, так же, как и на диаграммах с петлями гистерезиса. Однако линии Р–Т-диаграммы описывают конечные значения этих объемов при полном фазовом превращении, но ничего не говорят о возможных путях достижения конечных значений. Петли гистерезиса фазовых превращений, предлагаемые в данном подходе, как раз и описывают эти пути. Другими словами, соотношения непрерывности (1) и (2) в Р–Т-поле описывают путь фазового ГЦК-ОЦК-перехода в идеальном монокристалле из тройной точки (она совпадает с точкой М петли, см. рис. 1) в точку 240 °С (отвечающей точке О рис. 1). Изменение только температуры способствует диффузионным γ- α-фазовым превращениям. Изменение давлений, наоборот, ведет к сдвиговым деформациям с образованием ε-мартенсита вплоть до тройной точки на Р–Т-диаграмме. Только при температурах выше тройной точки с изменением давления в железе возможны γ-α-фазовые превращения. В соответствии с нашей диаграммой в области α-фазы на Р-Т-диаграмме при одновременном изменении температур и давлений могут протекать еще и γ-α- мартенситные превращения. 5. Важным подтверждением правильности модели служат и данные, приведенные в недавно вышедшей монографии [18]. Результаты моделирования деформации кристалла железа в условиях действия шарового тензора деформации показали, что в чистом железе деформация, предшествующая разрушению, проходит по «бейновской траектории», т.е. с образованием ГЦК- фазы. Разрыв атомных связей (разрушение) начинается по границе ОЦК–ГЦК-фаз. Все это свидетельствует о хорошем соответствии нашей модели экспериментальным данным. Однако эти данные были получены в результате сложнейших экспериментов и компьютерных расчетов. Наша же модель позволяет исследовать фазовые переходы при несравненно более простых вычислениях! 5. ВЫВОДЫ В отличие от существующих теорий, в которых мартенситные превращения даже в сталях рассматриваются как фазовые превращения в однокомпонентных системах, чистое железо следует рассматривать как двухкомпонентную систему «железо–вакансии», руководствуясь постулатом об участии вакансий в образовании объема фазовых несоответствий при ГЦК ОЦК полиморфных превращениях. Именно на основе этих представлений удалось построить температурно- силовое поле и в нем диаграмму γ α-фазовых переходов, которые протекают через непрерывный спектр ОЦТ-состояний. Каждую точку поля можно описать тремя основными величинами термодинамики: P, V и Т, которые эквивалентны между собой и сv. Диаграмма имеет вид петли гистерезиса, ограничивает в температурно-силовом поле пространство γ α-мартенситных превращений 12 и позволяет численно оценивать влияние температур, давлений и легирования (в том числе и вакансиями) на силовые условия мартенситообразования в железе и сплавах на его основе. Диаграмма описывает структурно-фазовые превращения не только в двухкомпонентной системе, но и в системе «железо-углерод-вакансии» Пропорциональность концентраций углерода в твердом растворе железа напряжениям и температурам дает возможность определять фазовый состав сталей (содержание γ-, α- и Fе3С- фаз). Ветви петли сходятся в двух точках О и М, которые попадают в области низко- и высокотемпературной отпускной хрупкости сталей. Рассматривая этот факт с позиций нашего постулата, предлагаем новую физическую модель хрупкого разрушения ОЦК-металлов и сплавов, согласно которой за их разрушение отвечает механизм - обратное α→γ-мартенситное превращение, протекающее под действием гидростатических или нормальных растягивающих напряжений с образованием вакансионного комплекса в виде поры или трещины. С помощью модели можно объяснить любые формы проявления хрупкого разрушения (при одноосном растяжении, растрескивание при закалке и отпуске, при процессах низко- и высокотемпературного охрупчивания, порообразование при взаимной диффузии, при циклических нагружениях, под облучением и др.). Диаграмма позволяет определять температуру хрупковязкого перехода как касательную изотерму к нижней ветви петли гистерезиса. Полученные результаты соответствуют экспериментальным зависимостям температуры хрупковязкого перехода от концентрации легирующих элементов и структурно-фазового состояния системы. Петля гистерезиса позволяет понять и объяснить не только природу хрупкости ОЦК-металлов, но и природу деформации их с признаками сверхпластичности и сверхупругости. Эти три явления объединяет то, что они наиболее ярко выражены в системах, точки напряженных состояний которых близки к точкам О и М. Сама форма петли указывает, что в этих ее областях сопротивление деформированию сдвигом и мартенситообразованию в ОЦК-металлах минимально. Поэтому поведение материала, точки напряженного состояния которого близки к критическим, определяется действующим тензором напряжений. Если хрупкое разрушение ОЦК- металлов наблюдается под действием гидростатических растягивающих напряжений, то под действием тангенциальных внешних напряжений будет проявляться сверхпластичность, а под действием напряжений гидростатического сжатия – сверхупругость. В дальнейшем наша диаграмма позволит: обосновывать выбор сталей с учетом определенных условий их эксплуатации; рекомендовать способы их обработки (например, закалку, отпуск, отжиг, программное нагружение, легирование и др.) с целью получения оптимальных механических и физических характеристик; прогнозировать изменения механических свойств материалов по характеру изменения их напряженных состояний в процессе эксплуатации без применения разрушающих методов контроля, что особенно актуально для корпусов ядерных реакторов. Авторы выражают благодарность И.Г. Марченко за полезные замечания и обсуждение работы, а также Е.А. Крайнюку за помощь при подготовке публикации. ЛИТЕРАТУРА 1. Г.В. Курдюмов, А.А. Ивенсен. Закалка мало- углеродистых сталей // Журнал физической химии. 1930, т.1, с.281-296. 2. В.С. Крапошин, А.Д. Сильченко. Чем отличается мартенситное превращение от нормального? // МиТОМ. 2008, №11, с.23-36. 3. Ю.Н. Коваль. Особенности релаксационных процессов при мартенситном превращении // Успехи физики мет. 2005, т.6, №2, с.169-196. 4. Ю.Н. Коваль, В.А. Лободюк. Фазовые мартен- ситные превращения //Успехи физики мет. 2006, т. 7, №2, с.53-72. 5. K.C. Russell. Phase stability under irradiation // Progress in Materials Science. 1984, v. 28, № 3-4, p. 229-434. 6. J.F. Stubbins. Phase stability in Fe-15Ni –xCr alloys under ion or electron irradiation // Effects of Radiation on Materials: Proc13 th Int. Symp., ASTM STP 955. 1987, p.758-774. 7 W. Schule. On the formation of α-ferrite in stainless steel alloys // Effects of Radiation on Materials: Proc 19 th Int. Symp. ASTM STP1366. 1992, p. 894-918. 8. В.М. Ажажа, В.А. Десненко, Л.С. Ожигов, А.А. Пархоменко, И.В. Свечкарев, А.В. Федор- ченко. Изменение магнитного состояния аустенитных нержавеющих сталей при облучении // Труды XVII Международной конференции по физике рaдиационных явлений и радиационному материаловедению. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2006, с.84-85. 9. И.Н. Лаптев, А.А. Пархоменко. О возмож- ности образования мартенсита в аустенитных нержавающих сталях под облучением // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». 2002, №4, с. 143. 10. И.Н. Лаптев, А.А. Пархоменко. Диаграмма фазовых превращений в сплавах «железо-углерод– вакансии» в полях упругих напряжений // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение». 2004, №3, с.31-37. 11. Б.З. Марголин, И.П. Курсевич, А.А. Соро- кин, Н.К. Васина, В.С. Неустроев. К вопросу о радиационном распухании и радиационном охрупчивании аустенитных сталей // Вопросы материаловедения. 2009, №2(58), с.99-111. 13 12. А.П. Гуляев. Металловедение. М.: «Оборонгиз», 1963, 303 с. 16. В.И. Зельдович, И.В. Хомская, Е.Ф. Грязнов, К.М. Демчук. Мартенситные превращения, вызванные действием высоких давлений // Физика металлов и металловедение. 1990, №. 1, c. 151-158. 13. В.С. Чиркин, Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: «Атомиздат», 1968, 485 с. 14. S.B. McRickard and J.G.Y. Chow. The DBTT in the Fe-C alloy // Acta Met. 1966, v.14, p.1195-1201. 15. V.S. Neustroev, F.A. Garner. Severe embrittlement of neutron irradiated austenitic steels arising from hsgh void swelling //J. Nuclear Materials. 2009, v. 386-388, p.157-160. 17. W.J. Phythian, A.J.E. Foreman. “Effects of Radiation on Materials”: 15-th. Int. Symp., ASTM STP 1125, ASTM Philadelphia, PA. 1992, p.131-150. 18. С.А. Котречко, Ю.Я. Мешков. Предельная прочность. Киев: «Наукова думка», 2008, 295с. Статья поступила в редакцию 11.01.2010 г. НОВИЙ ПІДХІД ДО ОПИСУ МАРТЕНСИТНИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ ТА КРИХКОСТІ У СИСТЕМІ «ЗАЛІЗО-ВУГЛЕЦЬ-ВАКАНСІЇ» І.М. Лаптєв, О.О. Пархоменко Теоретично досліджена роль пружних напружень у формуванні структурно-фазових станів у системі «залізо-вуглець-вакансії». Побудовано петлю гістерезису, що описує процес γ α-перетворень у полі пружних напружень. Силові умови нерівноважних мартенситних перетворень у цьому просторі визначаються вектором, що з'єднує будь-які дві крапки, що лежать на протилежних гілках петлі гістерезису. Модель може бути використана для опису фазових перетворень і прогнозування працездатності матеріалів у складних температурно-силових полях, включаючи реакторне опромінення. Запропоновано новий підхід до визначення температури крихков'язкого переходу ОЦК-металів. NEW APPROACH TO DESCRIPTION OF MARTENSITIC TRANSFORMATION AND BRITTLE FOR “IRON-CARBON-VACANCIES” SYSTEM I.N. Laptev, A.A. Parkhomenko The role of the elastic stresses in formation of structural - phase conditions in system «iron-carbon-vacancies» is theoretically investigated. The loop of a hysteresis describing process of transformations into a field of elastic stress is constructed. Force conditions nonequilibrium martensitic γ α transformations into this space are determined by a vector connecting any two points, loops of a hysteresis laying on opposite branches. The model can be used for the description of phase transformations and forecasting of serviceability of materials in complex thermal-power fields, also reactor irradiation. The new approach to definition of the ductile-brittle transition temperature (DBTT) bcc- metals is offered. 14

Новый подход к описанию мартенситных преавращений и хрупкости в системе «железо-углерод-вакансии»

Institution

Ähnliche Einträge