Превращения без диффузии | Металлолом

Выдающуюся роль в раскрытии загадок мартенсита сыграл советский ученый Георгий Вяче­славович Курдюмов. Начиная с 1927 года в длинной серии работ он выяснил особенности структуры мар — тснсита и механизма его возникновения. Это было до — етойным продолжением науки о сталях, основы кото­рой в России заложили П. П. Аносов и Д. К. Чернов. В 1953 году Г. В. Курдюмов был избран действитель­ным членом Академии наук СССР.

Академик Г. В. Курдюмов стал и основателем авторитетнейшей научной школы. При его непосред­ственном участии возникли Институт физики металлов и металловедения при Центральном научно-исследова­тельском институте черной металлургии и Институт физики твердого тела Академии наук СССР. Оба они сегодня находятся в авангарде советской и мировой науки о металлах и их сплавах.

Прежде чем вернуться к мартенситу, подчеркнем, что значительная часть излагаемого далее материала получена Г. В. Курдюмовым и его учениками.

Закалка, проведенная непосредственно под микро­скопом, показала, что кристаллы мартенсита выра­стают в аустенитной матрице с колоссальной ско­ростью, почти мгновенно. Сам процесс роста мартен — ситной иглы можно наблюдать лишь с помощью уско­ренной киносъемки (рис. 129) [40]).

Происходящее при довольно низких температурах моментальное образование мартенситной иглы явно не

Рис. 129

Походит на диффузионный процесс. Надо искать прин­ципиально новый механизм фазового превращения.

Вообразите себя в роли командира пехотного взво­да. Ваши подчиненные выстроены в одну шеренгу, а ваша задача — перестроить их в две. Командовать так командовать, и вы отдаете приказ: «В две шерен-

Ги становись!» А теперь давайте представим себе его последствия.

Если вы имеете дело с не прошедшими обучение новобранцами, выполнение приказа приведет к полной неразберихе. Ведь никто не знает, в какой шеренге и на каком именно месте он должен стоять. Кадры со­путствующей неорганизованным построениям суетп любят показывать в комедийных фильмах. Для уси­ления эффекта часто используют рапидную съемку: суета при этом переходит в мельтешение. Такая кар­тина вполне соответствует нормальному механизму об­разования новой фазы с присущими диффузии случай­ными блужданиями. В конце концов ваш необучен­ный взвод в две шеренги построится, но это займет немало времени.

Совсем по-другому перестроение произойдет в обу­ченном взводе. Если вы не забудете предварительно скомандовать рассчитаться на первый-второй, приказ будет выполнен быстро и организованно: вторые но­мера займут позиции за первыми.

В чем основная разница двух видов перестроений? Во втором случае перемещение происходит согласо­ванным, кооперативным образом. Каждый солдат точно знает, куда ему идти, и действует в согласии со своими соседями. В результате перестроение осу­ществляется намного быстрее.

Примерно таков же механизм образования мар­тенсита (он так и получил название мартенситного или бездиффузионного механизма). Он заключается в

Закономерном смещении атомов на небольшие рас­стояния. Как это может происходить, покажем на примере перехода плоской ромбической решетки в квадратную (рис. 130).

Граница между двумя фазами (вертикальная ли­ния) принадлежит одновременно обеим решеткам.

О

„ й о 0Ort

О о о

Рис. 130

Чуть-чуть подадим вверх ряд атомов ромбической ре­шетки, и граница сделает шаг вправо. Так же транс* формация одной решетки в другую может происхо­дить и в трехмерном случае, только тогда фазы со­прягаются не по линии, а по плоскости.

Введенный по аналогии с военными маневрами мартенснтный механизм для нас пока не более чем гипотеза. Гипотеза, призванная объяснить высокую скорость превращения и его независимость от диффу­зии. Ну, а можно ли проверить реальность мартенсит — ного механизма экспериментально? Конечно, просле­дить за мгновенными перемещениями индивидуаль­ных атомов невозможно. Однако имеются убедитель­ные косвенные доказательства.

При образовании мартенсита на гладкой (до пре­вращения) поверхности стального образца форми­руется характерный рельеф, прекрасно различимый при увеличении (рис. 131, a). Ha рис. 131,6 показаны те же неровности поверхностного рельефа, сфотогра­фированные с помощью специального метода интер­ференционной микроскопии. Принцип этого метода мы объяснять не будем, но фотография, думаем, ска­жет сама за себя.

Его происхождение отлично объясняется мартен — ситным механизмом превращения. Посмотрите еще раз на рис. 130. В результате закономерной пере­стройки атомов кристалл изменяет свою форму. По­этому в тех местах, где превращенный объем выходит на поверхность, должны образовываться «ступеньки» и «уступы» (рис. 132).

Интересно посмотреть, как исказится при закалке нанесенная иа поверхность аустенитного образца пря­мая царапина. Такие эксперименты ставились. В ме­сте выхода мартенситных кристаллов на поверхность

Рис. 131

Направление царапины меняется, но она так и остает­ся прямой (рис. 133)! Это еще одно свидетельство за­кономерного характе­ра перестройки атомов.

Поверхностный Пьеф

Кристаллы ‘мартенсита

Рис. 132

Но самый убеди» тельный аргумент в пользу мартенситной гипотезы был получен не на сталях. Оказа­лось, что во многих цветных сплавах (Cu— Al, Cu — Sn, Cu-Zn и других), при закал­ке также происходят

225

Превращения со всеми признаками мартенсит­ных. Например, уже известная нам fi-латунь с ОЦК решеткой в определенной области составов при быстром охлаждении превращается в ГЦК фазу. Й вот что важно; при закалке упорядоченной |3-латуни ГЦК сплав тоже образуется упорядоченным! Атомы — соседи до превращения остаются соседями и после него. Такое может происходить только при реализа­ции мартенситного механизма, когда отсутствуют

S А. С, Штебнберг

Рис. 134

Беспорядочные диффузионные перемещения атомов. Это красивое и убедительное доказательство гипотезы.

Необычному механизму мартенситных превраще­ний соответствует и своеобразная структура двухфаз­ных сплавов, которую трудно спутать с чем-либо дру­гим. Одну фотографию мы уже приводили (см. рис. 123), но этот параграф хочется закончить не­большой «галереей мартенситных образов», получаю­щихся на сталях разных составов при разных режи­мах их обработки (рис. 134).

Нормальные или мартенситные?

В перипетиях рассказа о мартенсите где — то на заднем плане затерялась свободная энергия. Но это тот маяк, который не должен гаснуть. Ни одно превращение не может произойти без указующего пер­ста свободной энергии. И мартенситное превращение—? отнюдь не исключение. Наоборот, оно лишь демон­стрирует «изобретательность» сплавов в постоянной борьбе за уменьшение свободной энергии. Резкая за­калка перекрывает шлюзы обычного распада аустени — та на феррит и цементит. Но находится иной ка­нал …

Представьте себе простой опыт: наполняется водой емкость, в которой на разных уровнях предусмотрены две выливные трубы. Нижняя — очень маленького диаметра, верхняя — большого.

При заливке воды слив через нижнее отверстие начнется, как только ее уровень достигнет высоты Если заливать воду медленно, то ее уровень так и оста* нется на этой отметке и вся она будет выливаться только через нижнюю трубу. Но если залить сразу много воды, ее уровень поднимется до высоты H к большая часть выльется из большой трубы просто в силу различия диаметров. Заметим, что в любом случае вода выливается потому, что при этом умень­шается ее потенциальная энергия.

Аналогия достаточно очевидна. Маленькая тру­ба — диффузионное превращение, большая — мартен­ситное. Высота уровня воды — температура: более высокий уровень — более низкая температура. Мед­ленная заливка — медленное охлаждение, быстрая — закалка. Роль свободной энергии играет потенциаль­ная энергия,

Мартенситный канал превращения может быть за­действован, только если удается охладить аустенит до достаточно низкой температуры (в «водной» анало­гии— поднять уровень до высоты Я). Как вы думае-. те, что это за температура? Точка равенства свобод­ных энергий аустенита и мартенсита![41])

Отсюда следует, что если образовавшийся мартен­сит нагреть выше точки равенства свободных энергий, он должен снова превратиться в аустенит. Так оно и оказалось. Правда, наиболее яркие эксперименты были проведены на цветных сплавах. Исчезновение мартенситных фаз происходило по мартенситному ме-. ханизму. На это указывало появление поверхностного рельефа. Но самое интересное, что при этом совпадал не только механизм обратного превращения, но и сам путь, по которому оно шло, конкретные атомные пере­стройки! Об этом несомненно свидетельствовал тот факт, что при обратном превращении возникает по­верхностный рельеф, негативный по отношению к рельефу, который возник на том же месте и был спо — лирован перед нагревом для обратного перехода.

Кристалл «помнит» прежнее (до превращения) распой ложение атомов!

Обратимся снова к сталям. На фазовой диаграмме железо — углерод мартенситной области нет. Значит, свободная энергия смеси феррита и цементита долж­на быть ниже свободной энергии мартенсита. И легко убедиться, что это действительно так. Нагрейте мар­тенсит, чтобы активизировать диффузию (но не «за­лезая» в аустенитную область диаграммы), и он рас­падается на феррит и цементит.

В сталях нормальное и мартенситное превращения конкурируют друг с другом: ведь у них разные конеч­ные продукты — смесь феррита и цементита в одном случае, мартенсит — в другом. Но иногда разные ме­ханизмы бывают и союзниками. Так происходит, на­пример при полиморфном превращении чистого желе­за у а — Если охладить у_железо медленно, пере­стройка атомов реализуется по нормальной схеме. Но если удается резким охлаждением «выключить» диф­фузию, то же самое превращение идет мартенситным путем с образованием поверхностного рельефа и игольчатых кристаллов а-фазы.