Наследственный размер зерна.

Под начальным подразумевают размер зерна аустенита, полученного немедленно по окончании процесс нагрева и образования аустенита в надкритическом интервале температур (т.е. выше А_С3 –для доэвтоктоидных сталей и выше А_Сm- для заэвтектоидных сталей). Начальная величина зерна аустенита зависит от числа зародышей, возникающих в исследуемом объеме металла в единицу времени, и скорости их роста. С увеличением времени выдержки при данной температуре зерно быстро растет ввиду стремления системы к уменьшению свободной энергии. Склонность к росту зерна аустенита сталей одного и того же состава, но выплавленных в различных условиях (т.е. различных плавок), может быть неодинаковой. Поэтому различают наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые стали (рис.4).

Рис. 4. Схема роста зерна аустенита при нагреве (Лахтин Ю.М.)

Под действительным – понимают размер зерна аустенита, полученного в конкретных данных условиях нагрева при термической обработке металла. Действительное зерно аустенита всегда больше начального, так как после окончания образования аустенита (в процессе нагрева при термообработке) его зерна растут до определенных размеров, которые определяются температурой нагрева, временем выдержки и целым рядом др. факторов - химическим составом стали, способом производства стали и др. Структура стали после термообработки определяется величиной только действительного зерна аустенита, чем мельче действительное зерно, тем дисперснее будет и вторичная структура термообработанного металла.

Под наследственным размером зерна аустенита понимают размер, определенный с помощью стандартной методики. Наследственный размер зерна аустенита - технологическая характеристика склонности стали к росту зерна, он может быть меньше или больше действительного (стандартная методика определения: нагрев 930⁰С, выдержка 8 часов для доэвтектоидной стали (3 часа для заэвтектоидной), охлаждение металла с печью). При охлаждении стали с температур аустенитизации происходит превращение аустенита во вторичные структуры (феррит, перлит и т.д.), размер которых существенно зависит от размера аустенитного зерна. Чем мельче размер зерна аустенита до полиморфного превращения, тем мельче зеренная вторичная структура в охлажденном металле. Согласно ГОСТ 5639-82 средний размер аустенитного зерна характеризуется его номером (от 3 до 14). Крупными считают зерна аустенита с номерами 3…5; а мелкими – с номерами 6…14. Влияние легирующих элементов, находящихся в твердом растворе или в виде частиц вторичной фазы, носит сложный характер и зависит от многих факторов.

Большой практический и научный интерес представляют обнаруженная В.Д. Садовским, К.А. Малышевым, Б.Г. Сазоновым и исследованная В.И Архаровым, Ю.Д. Козмановым и др. учеными перекристаллизация аустенита (в аустенитной области), обусловленная внутрифазовым наклепом. Исследования показали, что в ряде случаев размер зерна аустенита при нагреве обусловливается не только протеканием фазового превращения при достижении критических точек, но и последующей его рекристаллизацией, вызванной фазовым наклепом за счет объемных изменений в процессе превращения при нагреве металла (прежде всего со структурой М или Б при a®g и в самом аустените при повышении температуры нагрева).

Было установлено, что при нагреве сталей следует различать два этапа структурообразования, которые по температуре могут не совпадать:

-фазовую перекристаллизацию при нагреве выше А_С3 (образование аустенита);

-структурную перекристаллизацию (т.е. измельчение ранее образовавшегося аустенита по механизму рекристаллизации – в процессе дальнейшего нагрева до температур точки b Чернова).

При явлениях структурной наследственности в металле после первой стадии (фазовой перекристаллизации) отсутствует вторая стадия - структурная перекристаллизация аустенита.

На основании анализа полученных экспериментальных данных ученые пришли к выводу, что точка b Чернова является температурой действительной рекристаллизации аустенита стали и изменения “физической структуры” в отличие от точки А_С3, при которой происходит изменение “химической структуры”. Превышение температуры точки b Чернова над А_С3 может достигать различных уровней для разных сталей, примерно на 150 - 250⁰С.

Феррит (Ф) – от слова ferrum – железо (такое название структурной составляющей присвоил Сорби) представляет собой твердый раствор внедрения углерода в a-железе. Максимальная растворимость углерода в равновесных условиях в феррите при эвтектоидной температуре 727⁰С составляет 0,025 % мас. (определяется положением точки Р на диаграмме Fe-C). По мере снижения температуры (по линии PQ диаграммы Fe-C) концентрация углерода в феррите уменьшается и при температуре 20-25⁰С в a-железе растворяется 0,006% углерода. Такая низкая растворимость углерода объясняется меньшими размерами междоузлий в феррите, по сравнению с аустенитом. Как и чистое железо, феррит имеет кристаллическую решетку в виде объемно центрированного куба. Плотность феррита составляет 7,874 г\см³. А максимальная растворимость углерода в феррите при ускоренном охлаждении из однородного аустенитного состояния (0,06% С) достигается (рис.4) при переохлаждении малоуглеродистых сталей до 550-500⁰С. Аналогичную концентрационную зависимость имеет и азот, максимальное содержание которого (0,11%) наблюдается при 590⁰С и резко уменьшается при снижении температуры металла. В литературных источниках встречаются различные данные по концентрации углерода в феррите при низких температурах (от 0,01% до 0,006%), что можно объяснить чистотой эксперимента в каждом конкретном случае.

Рис.5. Положение границ равновесия g- и a-фаз в системе Fe-C

при переохлаждении (Смирнов М.А. и др.)

При нагреве до температуры 770⁰С (768⁰С-точка Кюри феррита – обозначают А₂) феррит является ферромагнитной фазой.

Различают несколько разновидностей феррита, обусловленные условиями его образования:

- полиэдрический ( избыточный, равноосный ) феррит образуется обычно по границам аустенитных зерен;

- видманштеттовый феррит (назван по имени А. Видманштетта - австрийского ученого) - особый вид структуры доэвтектоидных сталей с содержанием углерода примерно до 0,4%, в которой феррит расположен по границам перлитных зерен, образуя сплошную или прерывистую сетку с иглами, отходящими от нее внутрь перлитных колоний (рис.6). Видманштеттовый феррит обычно возникает при перегреве металла (характеризуется крупным действительным зерном аустенита), часто в металле сварных швов и при условии ускоренного охлаждения изделия. Образование В.Ф. обусловлено стремлением системы к минимуму упругой и поверхностной энергии за счет сочленения пластин (игл) по сходным атомным плоскостям. Пластины В.Ф. образуется внутри зерен аустенита и часто берут начало от полиэдрических зерен феррита.

Рис.6.Видманштеттовый феррит (Бабошин А.Л.)

Эпитаксиальный феррит- феррит, который образуется (точнее выделяется) на уже имеющемся феррите (т.е. без стадии зарождения). Эта структурная составляющая характерна для сталей, которые подвергаются термообработке из межкритического интервала, когда при нагреве металла в межкритическую область перлит (а возможно и часть феррита), превращается в аустенит, а при последующем охлаждении кроме новых, образующихся зерен феррита, на имеющемся (непревращенном при нагреве) феррите происходит эпитаксиальный рост феррита. Наиболее часто эпитаксиальный феррит наблюдается при получении двухфазных (дуальных) сталей (Ф+Б или Ф+М).

Структура феррита наблюдается в различных видах железа, которое по количеству примесей можно разделить:

– на “ химически чистое железо ” (пирофорное железо – получается путем восстановления окиси железа водородом; электролитическое железо; карбонильное железо- получится при нагреве карбонила железа Fe(CO)₅. Наиболее чистое от примесей -– пирофорное железо (только следы водорода и кислорода). Электролитическое и карбонильное железо содержит всех обычных примесей от 0,05 до 0,10%.

– техническое железо с суммарным содержанием примесей £0,02% - (точка Р на диаграмме Fe-C) в промышленности называют еще “армко-железо” и железо-ВИТ (получено инж. В.И. Т ыжновым), суммарное содержание примесей до 0,15%.

Перлит – смесь феррита и цементита, образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита (ученый Сорби при исследовании структуры стали под микроскопом обнаружил структурную составляющую, дававшую световые рефлексы и поэтому названную им “ жемчужной составляющей ”-pearly conttituent, впоследствии названной перлит). Перлит образуется при небольших переохлаждениях аустенита в интервале температур Аr₁…650⁰С. Плотность перлита составляет 7,848 г\см³. В зависимости от дисперсности чередующихся пластин феррита и цементита в колонии перлита условно различают:

– перлит (межпластинчатое расстояние в пределах 0,6…1,0мкм, НВ180);

– сорбит (0,25…0,3мкм, НВ250) – назван по имени французского ученого Сорби Н.С.;

– троостит, тростит или трустит - назван в честь французского ученого Труста Л.Ж.(0,1…0,15мкм, НВ400).

Принципиального различия между этими структурами нет.

Условно считают, что сорбит образуется в процессе термообработки при распаде аустенита в области температур»600⁰С, (а при отпуске мартенсита в области температур 450-650⁰С – сорбит отпуска).

А троостит закалки образуется при непрерывном охлаждении или изотермической закалке при»500⁰С (пластинчатая форма Ц). Троостит отпуска - образуется при отпуске мартенсита в интервале температур 350-500⁰С (зернистая форма Ц). Троостит отпуска имеет более высокие пластические и вязкие свойства при равной прочности с трооститом закалки.

Бейнит (Б) – структурная составляющая стали, образующаяся при промежуточном превращении аустенита (обнаруженное Портвеном и Гарвином) и состоящая из смеси пластин пересыщенного углеродом феррита и карбида железа (Fe₃C). Структура названа так в честь английского ученого Э. Бейна, который с Э. Давенпортом в 1930 году построил первые диаграммы изотермического распада аустенита.

Бейнитное превращение идет по диффузионно-сдвиговому механизму (пластины феррита образуются в результате сдвигов, а карбиды диффузионным путем)

В отечественной и зарубежной литературе различают верхний, нижний бейнит и гранулированный бейнит ( Г.В. Курдюмов, L.J. Habraken, M. Economopouls и др.), образующиеся, соответственно, в верхнем и нижнем интервале температур промежуточного превращения аустенита. Но в публикациях последних 20-ти лет можно встретить и другие классификации промежуточных структур. В зарубежной литературе, исходя из предположения, что бейнит в малоуглеродистых сталях всегда имеет реечную морфологию, отличающийся местом выделения цементита, классифицируют соответствующие промежуточные структуры (классификация Y. Ohmori H. Ohtany, B.L.) как:

– Игольчатый феррит – реечная морфология феррита, без выделений цементита по границам;

– В1; В2; В3 – верхний бейнит, в котором цементит выделяется по границам реек феррита

– Нижний бейнит – с пластинчатой морфологией феррита и выделением карбидов внутри пластин.

В классификации Bramfit, I.G. Speer к В3 (по морфологии) относится игольчатый феррит с выделением вторичной фазы (остаточного аустенита или мартенсита), к В2 относится игольчатый феррит с выделением цементита по границам ферритных игл, а к В1 - игольчатый феррит с цементитом внутри ферритных игл.

При переохлаждении аустенита происходит образование сдвиговым (мартенситным) путем бейнитного феррита (т.е. ферритных реек внутри колоний бейнита) с сохранением когерентной связи кристаллических решеток с исходной фазой. При этом образование бейнитного феррита связано с перераспределением углерода в аустените (рис. 7). С понижением температуры g®a превращения в бейнитной области содержание углерода в бейнитном феррите растет, а в непревращенной части аустенита уменьшается. В соответствии с рис.7 бейнитный феррит будет образовываться при переохлаждении аустенита только в тех объемах, для которых точка Мн лежит выше температуры превращения. Для стали с содержанием углерода С₀ при переохлаждении в промежуточную область (до t₁) в бейнитный феррит смогут превратиться только те объемы аустенита, содержание углерода в которых не более точки С₁. При более сильном переохлаждении аустенита (до t₂) образование бейнитного феррита будет происходить в тех объемах аустенита, в которых концентрация углерода достигает точки С₂. Таким образом, при температуре t₂ в непревращенный аустенит будет вытеснено меньше углерода, чем при температуре t₁, соответственно в аустените содержание углерода при понижении температуры превращения должно снижаться.

Рис.7. Схема, поясняющая увеличение концентрации углерода

в бейнитном феррите при снижении g®a превращения (Смирнов М.А. и др.)

Верхний бейнит (ВБ) – структура с перистым строением, образовавшаяся из переохлажденного аустенита в интервале 500-350⁰С; состоит из групп тонких параллельных реек феррита толщиной менее 1 мкм и шириной 5-10 мкм, а также из тонких частиц цементита по их границам. Электронномикроскопические исследования показывают, что рейки феррита в свою очередь состоят из собственной тонкой структуры, включающей еще более тонкие рейки с повышенной плотностью дислокаций (более высокой, чем в видманштеттовом феррите.)

Возможны варианты выделения по границам ферритных реек остаточного аустенита, который при последующем отпуске распадается по М механизму. Такой бейнит часто называют гранулированным или зернистым.

Нижний бейнит (НБ) – структура с игольчатым мартенситоподобным строением, образовавшаяся в результате распада переохлажденного аустенита в интервале температур 400-250⁰С (для разных сталей); состоит из пересыщенных углеродом реек феррита, в которых однообразно располагаются тонкие частицы цементита или e-карбида. При этом характерным признаком нижнего бейнита является выделение карбидных “столбиков” под углом 55-60° к продольной оси бейнитной пластины, которые образуют параллельные колонии. Плотность дислокаций в ферритных пластинках выше, чем в верхнем бейните. В некоторых сталях нижний бейнит не содержит карбидных выделений.

В малоуглеродистых и низколегированных сталях в верхней температурной области промежуточного превращения при определенных условиях превращения переохлажденного аустенита образуется структура игольчатого феррита, свободного от карбидных выделений. Хотя в зарубежной литературе под эту структурную классификацию попадают и другие виды структур промежуточной области - с карбидными выделениями, прослойками аустенита остаточного по границам ферритных реек, т.е. структуры, которые в отечественной литературе классифицируются как малоуглеродистый бейнит.

Игольчатый феррит (ИФ) – это вероятно одна из самых интересных структур, вызывающих в последние 15-20 лет постоянные уточнения и споры по признакам, ее определяющим. При понижении температуры превращения в Ф+П области скорость зарождения феррита возрастает и, следовательно, размер зерна уменьшается. Увеличение степени переохлаждения в Ф+П области дает тот избыток свободной энергии, который позволяет формировать пластинчатую или игольчатую форму ферритных реек, характеризующихся быстрым ростом. Эта часть структурообразования игольчатого феррита не вызывает споров, а вот процесс выделения избыточного углерода в процессе превращения является до сих пор спорным.

Игольчатый феррит состоит из колоний параллельных реек, при этом свойства сталей с такой структурой определяются размером колоний, а не размером реек. Плотность подвижных дислокаций в ферритных рейках очень высока, при определенных условиях образуется субструктура. Одни исследователи доказывают, что карбиды углерода и легирующих элементов выделяются в процессе превращения по границам раздела фаз (т.е. по границам ферритных зерен) или внутри феррита. При этом указывается, что цементитные пластины могут образовывать непрерывные прослойки или цепочки (как в верхнем бейните). Вытеснение углерода из растущей ферритной фазы при превращении приводит к образованию остаточного аустенита или мартенсита. Мартенситная составляющая часто содержит двойники, что указывает на высокое локальное (>0,5%) содержание углерода. Другие ученые определяют игольчатый феррит как безкарбидный феррит, т.е. колонии параллельных реек не содержат на границах выделений карбидной фазы (Курдюмов Г.В., Сухомлин Г.Д., Большаков В.И. и др.).

В литературе приводятся данные о том, что малоуглеродистые низколегированные стали со структурой игольчатого феррита после отпуска еще больше упрочняются за счет дисперсионного твердения (выделяются карбиды ниобия, ванадия), но при этом снижается вязкость (вероятно за счет закрепления подвижных дислокаций).

По внешнему виду микроструктура игольчатого феррита очень похожа на нижний бейнит малоуглеродистых низколегированных сталей.

Мартенсит (М) – структурная составляющая кристаллических твердых тел, возникающая в результате сдвигового бездиффузионного полиморфного превращения при охлаждении. Структура названа Осмондом по имени немецкого металловеда А. Мартенса (1850-1914гг).

Мартенсит в стали – пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе, образовавшийся в результате бездиффузионного полиморфного превращения аустенита при закалке. В сталях и сплавах различного химического состава структура мартенсита может различаться. В технической литературе существуют различные классификации мартенсита по определенным признакам: кристаллографической структуре (a- или e- мартенсит); кинетике превращения (атермический, изотермический); форме кристаллов (пластинчатые, игольчатые); способам сочленения кристаллов в группы- ансамбли; плоскости габитуса; легированности; температуре образования и т.д.

Так, например, в закаленных углеродистых сталях условно различают крупноигольчатый (длина игл от 12 до 20мкм) мартенсит, который образуется в больших зернах аустенита при относительно низкой температуре Мн, мелкоигольчатый (длина игл от 4 до 8мкм) мартенсит, образующийся в мелких аустенитных зернах. Мартенсит с очень малыми размерами игл (менее 2 мкм) называют скрытоигольчатым или безструктурным.

Считают, что наиболее удачной является классификация мартенсита по морфологическим признакам, в которой учитываются и другие признаки. В соответствии с этой классификацией различают следующие основные типы мартенсита: пакетный ( реечный или дислокационный); бабочкообразный (баттерфляй); пластинчатый или линзовидный; а в высоколегированных сталях классифицируют его как тонкопластинчатый (двойникованный). На рис.7 приведена классификация видов мартенсита в зависимости от температуры превращения и содержания углерода в сплаве (по И.Тамура).

Рис.8. Зависимость типа мартенсита от температуры превращения

и содержания углерода в Fe-Ni-C сплавах (И.Тамура)

Пакетный ( реечный ) мартенсит – мартенсит, кристаллы которого имеют форму пластины (рейки) и сформированы в пакеты, которые металлографически выявляются как области разной травимости в пределах одного аустенитного зерна или закаленного монокристалла. В пределах пакета кристаллы мартенсита располагаются почти параллельно друг другу, что иногда рассматривается как доказательство их единой ориентировки. Переход от одного пакета к другому сопровождается изменением направления ориентировки кристаллов, т.е. внутри бывшего аустенитного зерна пакеты разделены преимущественно как малоугловыми, так и большеугловыми границами. В пределах каждого пакета присутствуют кристаллы шести определенных ориентировок мартенсита. В конструкционных сталях реализуются ориентационные соотношения (о.с.), промежуточные между о.с. Курдюмова-Закса и о.с. Нишиямы. Такой вид структуры характерен для закаленных низко- и среднеуглеродистых сталей. Ширина рейки от нескольких до 0,1-0,2мкм. Плотность дислокаций в пакетном мартенсите 10¹¹-10¹² см^-2, т.е. такая же, как после сильной холодной деформации. Пакетный мартенсит образуется при сравнительно высоких температурах, при которых на начальных стадиях превращения основным механизмом аккомодации (приспособления) деформации является скольжение дислокаций, что инициирует дальнейшее развитие сдвиговых процессов. Его также еще называют массивным, реечным, недвойникованным, высокотемпературным мартенситом.

В легированных сплавах железа или в углеродистых сталях (0,5…1,0% С) образуется тип мартенсита, имеющий бабочкообразный вид и который называют “ баттерфляй ”. Характерной особенностью его является сочленение двух отдельных пластин мартенсита с образованием тупого угла – подобно виду бабочки на микрошлифе.

Пластинчатый ( двойникованный, линзообразный) мартенсит - мартенсит, кристаллы которого имеют форму тонких линзообразных пластин, соседние пластины не параллельны и часто образуют фермоподобные ансамбли. Эффект аккомодации (приспособления) – связан с формированием своеобразных ферм или зикзагов из кристаллов мартенсита в пределах аустенитного зерна, в результате чего при мартенситном превращении уменьшается упругая энергия.

К характерным морфологическим особенностям пластин a- мартенсита можно отнести неровности и выступы на границе мартенситного кристалла, наличие в каждой пластине средней линии с повышенной травимостью – мидриба (состоит из множества тонких двойниковых прослоек), несплошностей (островки остаточного аустенита), микротрещин и следов скольжения. Между пластинами пластинчатого мартенсита сохраняется остаточный аустенит. Мидриб – от английских слов середина (middle) и лента (ribbon).

Пластинчатый мартенсит образуется при сравнительно низких температурах, при которых основным механизмом аккомодации деформации является двойникование. Его еще называют игольчатым, двойникованным, низкотемпературным.

В высоколегированных сплавах, имеющих низкую (минусовую) температуру Мн, образуются полностью двойникованные тонкие кристаллы мартенсита, который называют тонкопластинчатым. Его пластины образуют остроугольные сочленения, но в отличие от линзообразного мартенсита, кристаллы тонкопластинчатого при столкновении могут пересекать друг друга.

Известно, что наиболее распространенными модификациями углерода являются графит и алмаз. При этом алмаз представляет собой метастабильную форму углерода, которая с течением времени медленно изменяется. Исследования различных авторов показывают, что существует несколько разновидностей алмаза, различающихся по свойствам и морфологии (например- гексагональная модификация, названная лонсдейлит).

Графит – существует в виде минерала слоистого типа, гексагональная кристаллическая модификация которого представляет собой наиболее устойчивую форму углерода в земной коре. Наряду с природным графитом существую также и кристаллические разновидности искусственного графита – доменный и карбидный.

Доменный графит выделяется при медленном охлаждении больших масс чугуна в чугуновозных ковшах или миксерах.

Карбидный графит образуется при разложении карбидов в процессе термической обработки чугунов при большом переохлаждении металла и в отсутствии зародышей графита (из белого чугуна получают серый).

Существуют две политипические модификации графита – гексогональная и ромбоэдрическая.

В зависимости от формы включений различают свободный графит:

-пластинчатый (ПГ);

-вермикулярный или еще называют червеобразный (ВГ);

-хлопьевидный (ХГ);

-шаровидный (ШГ).

Форма свободного графита определяет основные типы чугунов:

-серый чугун (СЧ) –с пластинчатым графитом;

-чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ);

-ковкий чугун (КЧ)-с хлопьевидным графитом;

-высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ).

В 1985г учеными при лазерном испарении графита в струе гелия были обнаружены новые молекулы углерода (новая аллотропная модификация углерода - форма сходна с футбольным мячом), содержащие 60 и 70 атомов углерода, которые и были названы Бакминстером Фуллером фуллеренами.

Цементит – химическое соединение углерода с железом (карбид железа -Fe₃C). Назван Сорби так в связи с тем, что этот структурный элемент был характерен для цементованного слоя стали. Содержание углерода в цементите – 6,67…6,69% (мас.). Температура плавления –около 1550⁰С (в условиях нагрева лазерным лучом плавится при 1260⁰С). Аллотропических превращений цементит не испытывает, при температуре выше 210…217⁰С он теряет магнитные свойства (точка Кюри цементита 230⁰С). Цементит имеет высокую твердость (>НВ800), но очень низкую пластичность. Цементит является неустойчивым соединением и при определенных условиях (например, при нагреве) распадается с образованием свободного углерода в виде графита и аустенита (при температурах выше 1000⁰С) или графита и феррита (ниже эвтектоидной температуры при больших выдержках). В структурах сталей и чугунов различают:

-цементит первичный - выделяется из жидкости при охлаждении;

-вторичный цементит - выделяется из аустенита при охлаждении;

-третичный цементит - выделяется из феррита при охлаждении металла.

Атомы углерода в цементите могут заменяться неметаллами: азотом, кислородом, а атомы железа – металлами: марганцем, в неограниченном количестве; хромом –до 20%; молибденом –до 2%; вольфрамом –до 0,5%; ванадием –десятые доли процента и т.д. Карбиды цементитного типа с орторомбической решеткой (отвечающие составу (Fe,Me)₃C, где Ме - может быть хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий, тантал и др., которые растворяются в цементите), называются легированным цементитом. В технической литературе еще встречается понятие “цементита видманштеттова типа” - выделения углерода в виде скоплений ориентированных пластин (по типу видманштеттова феррита).

По данным Ю.Н. Тарана и В.И. Новика кристаллы цементита описываются как монолитное образование, представляющее собой систему плоскопараллельных слоев, состоящих в свою очередь, из блоков в форме прямоугольных брусков, разориентированных относительно друг друга на угол, равный 1…2 мин. Тонкая структура слоистого и блочного цементита может содержать дислокационные скопления и субзеренные границы. При этом плотность дислокаций в цементите существенно зависит от характера термической обработки и условий механического воздействия на него, что и предопределяет его микротвердость (Ткаченко Ф.К.).

Ледебурит (по имени немецкого металлурга Ледебура А.) – эвтектика, состоящая из аустенита и цементита, образующаяся при охлаждении ниже 1145⁰С для чистых Fe-С сплавов с содержанием углерода свыше 2,14%. Основная составляющая чугунов. Базовое соотношение этих структурных составляющих 50:50, инициирует зарождение ледебурита цементит.

К ледебуритным сталям относятся быстрорежущая, высокоуглеродистая легированная инструментальная стали типа Х12 (содержание углерода может быть до 2% и более).

Релаксация – процесс достижения термодинамического равновесия макроскопических частиц фаз (газа, жидкости, твердого тела). Релаксация- многоступенчатый процесс, так как не все физические параметры системы стремятся к равновесию с одинаковой скоростью. Все процессы релаксации неравновесны, сопровождаются уменьшением энергии (диссипацией). При изучении дисциплины понятие релаксации часто используется при процессах уменьшения напряжений в термообрабатываемых металлах и сплавах.

Коагуляция – рост более крупных частиц одной фазы при одновременном растворении мелких частиц той же фазы в металлах и шлаках при повышенных температурах. Осуществляется диффузионным переносом вещества через другую фазу. Коагуляция частиц вторичной фазы при старении или отпуске приводит к увеличению расстояний между ними, что сопровождается разупрочнением металла.

Коалесценция – слияние капель или пузырей при их соприкосновении внутри подвижной среды (жидкости, газе). Коалесценция – самоподвижный процесс, сопровождающийся уменьшением свободной энергии при укрупнении капель (пузырей) и обусловлена действием сил межмолекулярного притяжения. При изучении курса этот термин может использоваться при рассмотрении процессов, идущих в жидких металлах и сплавах. А также при описании порошковых материалов, имеющих поры и в которых происходит коалесценция пор (объединение). Возможно использование этого термина при описании субструктуры, когда коалесценция субзерен подразумевает слияние двух соседних субзерен в металлах путем исчезновения разделяющей их малоугловой границы.

При изучении дисциплины для правильного понимания сути процессов структурообразования при термомеханической или механико-термической обработки сталей (в соответствии с классификацией видов и подвидов комбинированных обработок по А.А. Бочвару) целесообразно также рассмотреть основные понятия и определения этих процессов. При этом следует понимать, что возможны варианты протекания процессов при нагреве (термообработке) предварительно холоднодеформированных металлов или при рассмотрении процесса структурообразования непосредственно в процессе горячей или теплой деформации металла, либо сразу после окончания такой деформации. В деформированном металле или сплаве протекают процессы, ведущие к уменьшению его энергии. При нагреве деформированного металла возможны следующие процессы (в порядке повышения энергии активизации):

- Возврат – это многостадийный процесс и включает в себя все элементарные процессы, происходящие в металле до начала рекристаллизации.

Под возвратом следует понимать процесс повышения структурного совершенства наклепанного металла путем перераспределения и уменьшения концентрации точечных дефектов, а также перераспределения и частичной аннигиляции дислокаций без образования новых границ (так называемый отдых) или с образованием и миграцией только малоугловых границ (так называемая полигонизация).

- Отдых – начальная стадия процесса возврата металлов при их низкотемпературном (до 0,05-0,2 Т плавления) нагреве после деформации или радиационном облучении и связанная с перераспределением и уменьшением концентрации точечных дефектов (межузельных атомов, вакансий) путем их аннигиляции и стока, а также процессы перераспределения дислокаций их консервативным движением без образования новых границ. Отдых сопровождается частичной релаксацией упругих напряжений и восстановлением ряда физических свойств (электросопротивления, плотности) после деформации и слабо влияет на механические свойства металла или сплава.

- Полигонизация – одна из стадий возврата, при которой идет перераспределение дислокаций (выстраивание в виде стенок), приводящее к образованию свободных от дислокаций и разделенных малоугловыми границами областей (субзерен) в моно- или поликристаллах. Малоугловые границы состоят из сеток, включающих винтовые и краевые дислокации, при сложном характере разориентировки соседних полигонов. Полигонизация протекает при нагреве до температур 0,25 - 0,35 Тпл. Полигонизацию затрудняет все, что тормозит диффузию вакансий, способствует уменьшению числа активных дислокационных ступенек и образованию облаков Котрелла и Сузуки вокруг дислокаций, уменьшению энергии дефектов упаковки и затруднению поперечного скольжения. Примеси (углерод, азот), образующие облака Котрелла на дислокациях, затрудняют их движение и тормозят полигонизацию.

 

Динамическая полигонизация – развивается непосредственно в процессе горячей деформации, отличается от статической тем, что одновременно с формированием субзерен, свободных от дислокаций, в теле субзерен повышается плотность дислокаций. Сохранение равноосности субзерен при больших степенях горячей деформации объясняется реполигонизацией - многократной повторной полигонизацией, состоящей в рассыпании субзеренных границ и новом их формировании.

Стабилизирующая полигонизация – полигонизация, при нагреве деформированного метала или сплава, сопровождающаяся аннигиляцией дислокаций противоположных знаков и образованием новых субзерен с устойчивыми малоугловыми границами; приводит к подавлению рекристаллизации при дальнейшем нагреве металла или сплава.

Рекристаллизация – процесс зарождения и (или) роста новых зерен в деформированном поликристаллическом металле или сплаве при нагреве за счет других зерен той же фазы, сопровождающийся уменьшением суммарной зернограничной энергии и повышением их структурного совершенства. Явление открыто в 1887г английским ученым Г. Сорби с помощью микроскопа.

Наиболее часто изображают графически процессы рекристаллизации в 3-х координатах – средняя величина зерна (D) от степени деформации (e,%) и температуры отжига или деформации (t,⁰С). При этом строят диаграммы двух типов – диаграммы рекристаллизации первого рода и второго рода. Диаграммы рекристаллизации для холоднодеформированного металла при рекристаллизационном отжиге называют диаграммами первого рода.

Для характеристики процесса рекристаллизации при горячей деформации используют диаграммы второго рода.

Возможно построение диаграмм третьего рода, в которых приводятся данные по величине зерна после горячей деформации (как в диаграммах второго рода) и дополнительно приводится кривая зависимости величины зерна от окончательного режима термообработки (например, закалки).

Рекристаллизация, которая происходит при нагреве после деформации металла, называется статической рекристаллизацией, в отличие от динамической, протекающей непосредственно во время горячей деформации. Общим признаком для всех случаев рекристаллизации является перемещение высокоугловых границ зерен. В результате рекристаллизации полностью устраняется состояние наклепа от пластической деформации и восстанавливается пластичность. Плотность дислокаций снижается от 10^10-12до 10^8-7 см^-2. После значительных степеней деформации в металле возможно образование текстуры. После рекристаллизации новые зерна приобретают также преимущественную кристаллографическую ориентировку, что приводит к формированию анизотропии (механических, электрических, магнитных) свойств.

Статическая рекристаллизация подразделяется на:

-первичную;

-собирательную;

-вторичную.

Первичная рекристаллизация – процесс формирования и роста в деформированном металле новых зерен с пониженной (по сравнению с матрицей) плотностью дефектов кристаллического строения. Термодинамическим стимулом первичной рекристаллизации является накопленная при пластической деформации энергия, связанная с дислокациями. Центры рекристаллизации могут появляться на границах деформированных зерен и внутри их. А период времени, в течение которого происходит формирование центров рекристаллизации, называется инкубационным. С повышением температуры он уменьшается.Первичная рекристаллизация – термически активируемый процесс- с повышением температуры процесс ускоряется

Собирательная рекристаллизация – процесс рекристаллизации, следующий сразу за первичной рекристаллизацией, заключающийся в нормальном росте одних рекристаллизованных зерен за счет соседних рекристаллизованных, осуществляемый миграцией высокоугловых границ.

Термодинамическим стимулом собирательной рекристаллизации является уменьшение зернограничной энергии, т.к. зеренная структура по окончании первичной рекристаллизации термодинамически неравновесна из-за большой суммарной поверхности рекристаллизованных зерен и неуравновешенности поверхностного натяжения на границах зерен неправильной формы. Границы зерен перемещаются так, что их конфигурация приближается к равновесной: границы стремятся спрямиться, а углы между гранями стремятся к 120⁰.

При этом наблюдается такая закономерность, что равновесными зернами в однофазном сплаве с практически изотропной зернограничной энергией и с прямыми границами могут быть только зерна с числом сторон в сечении шесть. У зерен с числом сторон меньше шести границы для образования в тройном стыке угла 120⁰, должны быть выпуклыми, а у зерен с числом сторон больше шести – вогнутыми.

Исследования показывают, что стыки более, чем трех границ, нестабильны.

При собирательной рекристаллизации размеры рекристаллизованных зерен более или менее однородны и их можно характеризовать средним размером диаметра зерна. Значительное укрупнение зерна в результате собирательной рекристаллизации происходит особенно часто после определенных степеней холодной деформации, которая называется критической степенью деформации и обычно для углеродистых сталей она составляет 5-10%. После критических степеней деформации идет быстрый рост одних исходных нерекристаллизованных зерен за счет поглощения соседних.

Вторичная рекристаллизация – после первичной рекристаллизации происходит аномальный рост отдельных зерен “поеданием” окружающих мелких зерен. Причины те же, что и при первичной рекристаллизации. Одна из причин сильного торможения роста большинства зерен - дисперсные частицы вторичной фазы (карбиды, карбонитриды, неметалические включения и т.д.) на их границах. При этом границы отдельных более крупных зерен могут быть менее заблокированы частицами вторичной фазы и они способны к избирательному росту. Такие зерна и являются центрами вторичной рекристаллизации.

В металле, который подвергается высокотемпературной (выше температуры рекристаллизации) деформации, протекают процессы динамической рекристаллизации.

Динамическая рекристаллизация – первичная рекристаллизация, происходящая непосредственно при горячей пластической деформации (точнее, сразу после ее окончания) металла или сплава (или во время последеформационных пауз). Отличается от статической рекристаллизации тем, что в появляющихся рекристаллизованных зернах во время их роста постепенно повышается плотность дислокаций из-за продолжающейся деформации металла (т.е. многократные обжатия) и создаются условия для зарождения новых рекристаллизованных зерен. Многократно чередующиеся циклы динамической рекристаллизации и повышение плотности дислокаций в рекристаллизованных зернах соответствует установившейся стадии горячей деформации с неизменным средним размером зерна. Динамическая рекристаллизация протекает тем быстрее, чем выше температура деформации. При температурах, значительно превышающих температурный порог рекристаллизации, она завершается в течение нескольких секунд или даже долей секунд.

Метадинамическая рекристаллизация – рекристаллизация, происходящая после горячей пластической деформации и заключающаяся в росте зародышей зерен, образовавшихся при динамической рекристаллизации. Отличается от обычной статической рекристаллизации отсутствием инкубационного периода из-за наличия готовых центров рекристаллизации и поэтому успевает полностью завершиться за короткий промежуток времени при охлаждении металла с температуры деформации.

Рекристаллизация на месте – процесс роста субзерен, образовавшихся при полигонизации металлов и сплавов в результате миграции их малоугловых границ в области с повышенной плотностью дефектов кристаллического строения. Малоугловая граница такого субзерна превращается в высокоугловую и субзерно становится центром рекристаллизации. Центры рекристаллизации могут также возникать в результате коалесценции (слияния) нескольких соседних субзерен.

Кинетика - учение о механизме и скоростях физических и химических процессов.

Кинетика фазового превращения – характеристика процесса увеличения объемного количества новой фазы при определенной степени переохлаждения или перегрева; описывается кинетической кривой, зависящей от механизма и условий превращения.

Морфология – наука о форме и строении элементов структуры металлов и сплавов

Параметр – величина, характеризующая какое-либо основное свойство устройства, системы, процесса.

Режим – установленный порядок чего-нибудь (технологических операций).

Режим термической обработки металлов и сплавов – совокупность основных характеристик процессов нагрева, выдержки и охлаждения обрабатываемого изделия, обеспечивающих получение определенных структуры и свойств в термообрабатываемом металле.

Технология – совокупность производственных процессов в определенной отрасли производства, а также научное описание способов производства.

Технология термической обработки металлов и сплавов – совокупность знаний, приемов и способов обработки металлов, осуществление определенных операций в определенной последовательности, из которых складывается процесс термической обработки металлоизделий. Включает также и технический контроль производства.