Ориентированного образования

Известно, что ориентированное расположение блоков или зерен существенно повышает механические свойства, если тип текстуры согласуется с видом напряженного состояния [137, 138]. Зависимость свойств (прежде всего сопротивления деформированию и разрушению) от направленности элементов структуры можно использовать для получения дополнительного эффекта упрочнения. В частности, при ТМО направленность элементов структуры в упрочняемом металле можно получить наложением магнитного поля при аустенитно-мартенситном превращении: магнитное поле ориентирует выделяющуюся или образующуюся вновь фазу и дает направленный ход процессу превращения у-+а. Полезное изменение механических свойств при этом возникает в результате:

Следует иметь в виду, что ориентированное расположение измельченных кристаллов может вызвать некоторую анизотропию свойств, что не всегда желательно. При совмещении же деформирования (наклепа) с наложением магнитного поля механическая ориентировка, когда направлением наилегчайшего сдвига является направление [ПО], не совпадает с магнитной ориентировкой (направлением легкого намагничивания является [ЮО]). В этом случае при термо-механико-магнитной обработке указанные ориентировки накладываются, что создает практически полную изотропность высоких прочностных характеристик металла и сохраняет большой запас пластичности [95].

Проведенные эксперименты для других пар и смазок показывают, что в установившемся режиме ИП между контактирующими поверхностями имеется граничный слой смазки, не разрушающийся при значительном увеличении нагрузки (о чем свидетельствует неравенство нулю сопротивления R). Наличие эффекта выпрямления в исследуемом диапазоне нагрузок говорит о том, что граничные слои, образованные полярными молекулами смазки (глицерина), адсорбированными на поверхностях, имеют правильно ориентированное расположение. При увеличении относительной скорости скольжения трущихся пар «эффект ориентации» исчезает, сопротивление граничного слоя падает до нуля, ЭДС уменьшается до предельно малых значений. Возможно, что это связано [4] с отсутствием асимметрии проводимости в результате тангенциального направления движения по отношению к осям молекул смазок. Компенсация полей твердых фаз адсорбированными молекулами сводит взаимодействие пар трения к дисперсионному взаимодействию неактивных групп (углеводородных хвостов) молекул. Коэффициент трения при этом имеет минимальное значение (/ *» 0,01).

ного действия. Мы должны ограничиться тем, что будем смотреть на эту вязкость в основном как на показатель глубокого изменения структуры в граничных фазах, т. е. изменения расположения молекул в них по сравнению с расположением молекул в объеме жидкости. Оно замечательно не только тем, что оси молекул параллельны, но и послойным размещением самих молекул, подобно игральным картам в колоде. Такое ориентированное расположение молекул приводит к тому, что между соседними слоями образуются как бы плоскости легкого скольжения. И в то же время цельность каждого такого слоя в отдельности, поддерживаемая притяжением тесно, бок-о-бок расположенных осей молекул, препятствует продав-ливанию каждого слоя молекул в отдельности. Таким образом, становится понятной способность таких слоев обеспечивать хорошее смазочное действие, одновременно облегчая скольжение между трущимися поверхностями и затрудняя утонынение смазочного зазора и продавли-вание смазочной прослойки.

Элементы из слоистых материалов должны иметь ориентированное расположение армирующего наполнителя, в соответствии с требованиями прочности, износостойкости и других свойств

Выполненные данным методом исследования показали, что морфология образования аустенита при нагреве предварительно закаленной стали сильно зависит от скорости нагрева. При медленном нагреве (v н = 1 — 2°С/мин) аустенит образуется равномерно по всему образцу (светлые участки на рис. 27)*. При таких условиях нагрева к моменту начала а -^7-превращения структура представляет собой сорбит отпуска с равномерно распределенной карбидной фазой (рис. 28, а). В этом случае участки 7-фазы возникают преимущественно на поверхности раздела феррит-ной (Ф) и карбидной (К) фаз (рис. 28, б). Аустенит образуется не в виде равномерной каймы вокруг карбидных частиц, а лишь в отдельных местах поверхности раздела. При удлинении выдержки карбидные частицы растворяются, и в структуре регистрируются только а- и у-фазы (рис. 28, в, г). Образование и рост аустенита происходят ориентированно, о чем свидетельствует определенная направленность кристаллов 7"Фазы-Ориентированное расположение участков аустенита сохраняется во всем межкритическом интервале температур. Высокотемпературные рентеновс-кие съемки показали, что при таких условиях нагрева концентрация углерода в 7-фазе соответствует определяемой из диаграммы равновесия, что согласуется с данными других исследований, выполненных при аналогичных скоростях нагрева.

няется по сравнению с исходным состоянием. Следовательно, в таких условиях нагрева а -*• ^-превращение не сопровождается рекристаллиза-ционными процессами, нарушающими ориентированное расположение кристаллитов, что приводит к восстановлению зерна.

В процессе испытания произошло разрушение одного из сосудов из хромомолибденовой стали со снятым усилением продольного шва. Разрушение, имевшее место после окружной деформации между 5 и 6%, проходило по зоне термического влияния. В результате проведения операции зачистки шва в этом участке образовалось местное утонение стенки сосуда. В то же время ориентированное расположение трещины вдоль границы сплавления со стороны стали свидетельствует о потенциальной слабости этого участка. Следует отметить, что этот сосуд отпуску не подвергался. Сосуд с усилением шва, подвергшийся отпуску, после испытания до достижения окружной деформации ползучести свыше 6% был свободен от трещин.

Механизм упрочнения сталей и сплавов зависит от природы легирования. Известно, например, что значительной износостойкостью при трении с высокими давлениями и ударном нагружении обладает высокоуглеродистая марганцевая аустенитная сталь 110Г13Л. Повышенная износостойкость этой стали обусловлена ее способностью к интенсивному деформационному упрочнению. При трении упрочнение связано с образованием в поверхностном сдое большого количества дефектов кристаллического строения (дислокаций, дефектов упаковки, двойников деформации), а также с взаимодействием этих дефектов с атомами углерода, растворенного в аустените [38]. Перспективные износостойкие материалы — мета-стабильные марганцевые и хромомарганцевые аустенитные стали, содержащие 0,4—0,8 % (по массе) С. Образование на поверхности данных сталей мартенсита деформации, его ориентированное расположение по отношению к действию силы трения обусловливают интенсивное упрочнение поверхности. Вследствие этого нестабильные марганцевые и хромомарганцевые аустенитные стали обладают повышенной износостойкостью в условиях развития адгезионного и усталостного разрушения поверхности [21].

Выполненные данным методом исследования показали, что морфология образования аустенита при нагреве предварительно закаленной стали сильно зависит от скорости нагрева. При медленном нагреве (у н = 1 -2°С/мин) аустенит образуется равномерно по всему образцу (светлые участки на рис. 27)*. При таких условиях нагрева к моменту начала а -> 7-превращения структура представляет собой сорбит отпуска с равномерно распределенной карбидной фазой (рис. 28, а). В этом случае участки 7-фазы возникают преимущественно на поверхности раздела феррит-ной (Ф) и карбидной (К) фаз (рис. 28, б). Аустенит образуется не в виде равномерной каймы вокруг карбидных частиц, а лишь в отдельных местах поверхности раздела. При удлинении выдержки карбидные частицы растворяются, и в структуре регистрируются только а- и 7-фазы (рис. 28, в, г). Образование и рост аустенита происходят ориентированно, о чем свидетельствует определенная направленность кристаллов 7-Фазы-Ориентированное расположение участков аустенита сохраняется во всем межкритическом интервале темпера- ч^й "**•*"• тур. Высокотемпературные рентеновс- " кие съемки показали, что при таких условиях нагрева концентрация углерода в 7-фазе соответствует определяемой из диаграммы равновесия, что согласуется с данными других исследований, выполненных при аналогичных скоростях нагрева.

няется по сравнению с исходным состоянием. Следовательно, в таких условиях нагрева а -* 7'пРевРаЩение не сопровождается рекристаллиза-ционными процессами, нарушающими ориентированное расположение кристаллитов, что приводит к восстановлению зерна.

Явление ориентированного образования зародышей новой фазы объясняется с привлечением энергетических представлений, согласно которым форма и ориентировка этих зародышей в анизотропной среде должны соответствовать минимуму поверхностной энергии при данном объеме, а минимум поверхностной энергии обеспечивается при максимальном сходстве в расположении атомов на соприкасающихся гранях старой и новой фаз (принцип Конобеевского — Данкова). По данным Д. Мак Лина, на когерентной границе а- и 7-фаз поверхностная энергия уменьшается в 3 - 4 раза по сравнению с теми же значениями в случае неориентированного зародыша. В связи с этим критический размер когерентного зародыша аустенита на порядок меньше, чем некогерентного. Естественно, что это приводит к резкому увеличению вероятности образования когерентного зародыша. Выполненные И.Н. Ки-диным, М.А. Штремелем и В.И. Лизуновым расчеты показали, что вероятность появления некогерентного зародыша ничтожно мала по сравнению с когерентным. При этом, в соответствии с изложенным в гл. И, в основном реализуется гетерогенное зарождение 7'фазы, связанное с меньшими затратами энергии.

Таким образом, восстановление зерна может быть объяснено наложением дополнительных условий на процесс ориентированного образования аустенита. Согласно [ 59], таким условием является наличие ориентационной связи образующегося аустенитного зародыша хотя бы с двумя мартенситными кристаллами, что согласуется с экспериментальными данными. В работе [113] учитывается необходимость одновременной ориентационной связи с ферритом и карбидными частицами (видманштеттовым карбидом). Картина может несколько осложниться при образовании аустенита из двойникованного мартенсита. В этом случае, согласно расчетам [ 114], существуют шесть ориентировок аустенита, связанных соотношением Курдюмова — Закса одновременно с двумя взаимно двойникованными ориентировками мартенсита. Однако опыты свидетельствуют о том, что и в этом случае происходит преимущественное восстановление ориентации исходного аустенита. Из изложенного следует, что структурная наследственность - это довольно распространенное явление, с которым необходимо считаться в практике термической обработки.

Наизбежным следствием ориентированного образования зародышей 7-фазы является восстановление исходного аустенитного зерна. Иными словами, фазовое превращение само по себе не может привести к структурной перекристаллизации (к изменению формы и размеров зерна), поскольку оно должно всегда в определенных объемах осуществляться кристаллографически ориентированно. В свете изложенного неожиданным и требующим объяснения представляется не восстановление зерна, поскольку этот процесс вполне закономерен, а его измельчение при определенных условиях. Объяснение этого явления следует искать в нарушении строения межфазной границы вследствие вторичных процессов, связанных с накоплением дислокаций, их перераспределением, аннигиляцией, полигонизацией и рекристаллизацией.

О рекристаллизационном происхождении этого эффекта свидетельствует его зависимость от скорости нагрева. При достаточно больших скоростях нагрева образование мелких зерен по границам подавляется [ 126]. По мере снижения скорости нагрева первоначально ровные границы приобретают зубчатый, извилистый вид и, наконец, при дальнейшем снижении скорости здесь формируются мелкие зерна. Как известно, появление извилистых границ очень часто предшествует развитию рекрис-таллизационных процессов, что согласуется с моделью зарождения ре-кристаллизованных зерен, предложенной Бейли и Хиршем [ 98]. Поэтому представляется логичным объяснять происхождение зернограничного эффекта в рамках единой схемы, не исключающей ориентированного образования зародышей 7-фазы и в этом случае.

Рассмотрим теперь перекристаллизацию в отожженных сплавах, имеющих полиэдрическую структуру. Как было показано, и в этом случае а ->• ^-превращение осуществляется путем ориентированного образования и роста зародышей (см. рис. 44). Однако в сталях с феррито-пер-литной структурой даже при скорости нагрева 1°С/мин фазовый наклеп, возникающий при а ->• 7-превращении, вызывает рекристаллизацию в межкритическом интервале температур, что иллюстрируется рис. 51. Как видно, сначала формируется монолитный участок аустенита. После

Явление ориентированного образования зародышей новой фазы объясняется с привлечением энергетических представлений, согласно которым форма и ориентировка этих зародышей в анизотропной среде должны соответствовать минимуму поверхностной энергии при данном объеме, а минимум поверхностной энергии обеспечивается при максимальном сходстве в расположении атомов на соприкасающихся гранях старой и новой фаз (принцип Конобеевского — Данкова). По данным Д. Мак Лина, на когерентной границе а- и 7'фаз поверхностная энергия уменьшается в 3 — 4 раза по сравнению с теми же значениями в случае неориентированного зародыша. В связи с этим критический размер когерентного зародыша аустенита на порядок меньше, чем некогерентного. Естественно, что это приводит к резкому увеличению вероятности образования когерентного зародыша. Выполненные И.Н. Ки-диным, М.А. Штремелем и В.И. Лизуновым расчеты показали, что вероятность появления некогерентного зародыша ничтожно мала по сравнению с когерентным. При этом, в соответствии с изложенным в гл. II, в основном реализуется гетерогенное зарождение 7-Фазы> связанное с меньшими затратами энергии.

Таким образом, восстановление зерна может быть объяснено наложением дополнительных условий на процесс ориентированного образования аустенита. Согласно [59], таким условием является наличие ориентационной связи образующегося аустенитного зародыша хотя бы с двумя мартенситными кристаллами, что согласуется с экспериментальными данными. В работе [113] учитывается необходимость одновременной ориентационной связи с ферритом и карбидными частицами (видманштеттовым карбидом). Картина может несколько осложниться при образовании аустенита из двойникованного мартенсита. В этом случае, согласно расчетам [ 114], существуют шесть ориентировок аустенита, связанных соотношением Курдюмова — Закса одновременно с двумя взаимно двойникованными ориентировками мартенсита. Однако опыты свидетельствуют о том, что и в этом случае происходит преимущественное восстановление ориентации исходного аустенита. Из изложенного следует, что структурная наследственность - это довольно распространенное явление, с которым необходимо считаться в практике термической обработки.

Наизбежным следствием ориентированного образования зародышей 7-фазы является восстановление исходного аустенитного зерна. Иными словами, фазовое превращение само по себе не может привести к структурной перекристаллизации (к изменению формы и размеров зерна), поскольку оно должно всегда в определенных объемах осуществляться кристаллографически ориентированно. В свете изложенного неожиданным и требующим объяснения представляется не восстановление зерна, поскольку этот процесс вполне закономерен, а его измельчение при определенных условиях. Объяснение этого явления следует искать в нарушении строения межфазной границы вследствие вторичных процессов, связанных с накоплением дислокаций, их перераспределением, аннигиляцией, полигонизацией и рекристаллизацией.

О рекристаллизационном происхождении этого эффекта свидетельствует его зависимость от скорости нагрева. При достаточно больших скоростях нагрева образование мелких зерен по границам подавляется [ 126]. По мере снижения скорости нагрева первоначально ровные границы приобретают зубчатый, извилистый вид и, наконец, при дальнейшем снижении скорости здесь формируются мелкие зерна. Как известно, появление извилистых границ очень часто предшествует развитию рекрис-таллизационных процессов, что согласуется с моделью зарождения ре-кристаллизованных зерен, предложенной Бейли и Хиршем [ 98]. Поэтому представляется логичным объяснять происхождение зернограничного эффекта в рамках единой схемы, не исключающей ориентированного образования зародышей •у-фазы и в этом случае.

Рассмотрим теперь перекристаллизацию в отожженных сплавах, имеющих полиэдрическую структуру. Как было показано, и в этом случае а ->• у-превращение осуществляется путем ориентированного образования и роста зародышей (см. рис. 44). Однако в сталях с феррито-пер-литной структурой даже при скорости нагрева 1°С/мин фазовый наклеп, возникающий при а ->• у-превращении, вызывает рекристаллизацию в межкритическом интервале температур, что иллюстрируется рис. 51. Как видно, сначала формируется монолитный участок аустенита. После