Фазовые превращения в твердом состоянии

Многие металлы, в частности железо, имеют несколько модификаций кристаллической решетки при различных температурах и претерпевают полиморфные превращения. Особым типом фазовых превращений в твердом состоянии является выделение избыточных фаз из твердого раствора вследствие понижения взаимной растворимости компонентов.

Превращения в зависимости от условий охлаждения могут иметь диффузионный или мартенситный характер. Диффузионное превращение происходит по механизму «образование зародыша и рост новой фазы». В целом этот тип превращения подчиняется закономерностям при кристаллизации. Критический размер зародышей и работа их образования уменьшается с увеличением степени отклонения от равновесной температуры полиморфного превращения. Однако следует учитывать, что с понижением температуры резко уменьшается подвижность атомов в кристаллической решетке и подавляются процессы диффузии. Зависимость скорости образования зародышей V_з от степени переохлаждения имеет максимум. Для случая перегрева V_з монотонно возрастает.

Кинетика фазовых превращений при различных степенях переохлаждения описывается изотермической диаграммой превращения или С-кривыми.

С- кривые строятся путем определения при данной температуре продолжительностей инкубационного периода t_и до начала фазового превращения и самого превращения t_пр. Соответствующие точки на графике соединяются С-кривыми.

При непрерывном изменении температур С-кривые смещаются вправо и вниз. Диаграмма становится анизотермической, т.е. зависит от скорости охлаждения.

По С-кривым возможно предсказать степень завершенности фазового превращения. При медленных скоростях охлаждения превращение успевает полностью завершиться. Графически этому соответствует пересечение графика термического цикла охлаждения обеих С-кривых (кривая 1). При увеличении скорости охлаждения возможен только частичный переход в новую фазу. Графически этому соответствует пересечение графика термического цикла охлаждения левой С-кривой (кривая 2). При скоростях охлаждения, превышающих критическую (кривая 3 не пересекает С-кривые), фазовое превращение диффузионного типа не происходит и имеет место мартенситное превращение.

Мартенситное превращение происходит путем совместного (кооперативного) перемещения многих атомов на расстояние меньше межатомного. Элементарные ячейки исходной фазы однородно деформируются с переходом в элементарные ячейки другой фазы. Мартенситное превращение является бездиффузионным или сдвиговым. Оно начинается и заканчивается при фиксированных для данного сплава температурах начала Мн и конца Мк мартенситного превращения, причем эти температуры не зависят от скорости охлаждения. На диаграмме эти температуры выражены горизонтальными прямыми.

Превращение начинается сразу после достижения Мн без инкубационного периода. В интервале температур Мн < T < Мк происходит быстрое превращение определенной доли исходной фазы, после чего превращение прекращается. После понижения температуры ранее образовавшиеся участки мартенсита не растут, а образуются новые участки. Степень превращения зависит от температуры и не зависит от выдержки при данной температуре.

Мартенсит – метастабильная фаза, для которой характерна высокая плотность дефектов кристаллической решетки. Сразу после образования в мартенсите начинаются превращения в более равновесное состояние, т.е. отпуск.

Распад твердых растворов с выделением избыточных фаз характерен для сплавов с ограниченной взаимной растворимостью компонентов. Он происходит по механизму образования и роста зародышей. Для гомогенного образования зародышей необходимы большие степени переохлаждения и пересыщения твердого раствора. В реальных металлах распад твердых растворов облегчается наличием дефектов кристаллической решетки (границы зерен, включения, вакансии). Распад ускоряется при пластической деформации.

При закалочных скоростях охлаждения образуются метастабильные фазы. При длительной выдержке (до нескольких месяцев или лет) происходит процесс выделения распределенной по всему объему тонкодисперсной второй фазы. Этот процесс называется дисперсионным упрочнением, т.к. в этом случае происходит торможение пластической деформациями высокопрочными частицами второй фазы (карбидами, нитридами, интерметаллидами). Дисперсионноупрочненные сплавы отличаются высокими прочностью и пластичностью.