Мартенситные превращения 1
Общие положения Определение: МП - кооперативный сдвиговый бездиффузионный процесс перестройки кристаллической структуры на расстояния, менее межатомных. Белые пятна теории МП: • причины, побуждающие систему к превращению путем сдвига; • зависимость температуры начала превращения Мн от содержания углерода; • проявление или отсутствие обратимости превращения; • зависимость типа превращения (атермическое, изотермическое, взрывное) • от химического состава сплава; • отсутствие математического аппарата, описывающего МП и изменение свойств сплава при охлаждении как качественно, так и количественно 2
Признаки МП Деформация Бейна, превращающая тетрагональную ячейку структуры аустенита (а) в ячейку структуры мартенсита (б) Рельеф поверхности Схема рельефа на исходной плоской поверхности FGEH образца при образовании в нем мартенситной пластины ABCDLMNO 3
Зависимость температуры Мн от содержания углерода (а) и от скорости охлаждения (б) в углеродистых сталях Гистерезис мартенситного превращения: Mн и Мк температуры начала и конца прямого превращения; Ан и Ак температуры начала и конца обратного превращения 4
Движущие силы МП Wм. п. = WG + Ws+ Wоб , где WG – изменение энергии Гиббса при превращении; Ws – изменение поверхностной энергии за счет появления новой межфазной границы «мартенсит-переохлажденный аустенит» ; Wоб – изменение объемной упругой энергии за счет разности объемов А и М. Появление мартенситной пластины в аустените создает объемную деформацию сжатия =3, 7 4, 0%, а мартенсит оказывается сжатым гигантскими напряжениями об=Е. Эти напряжения в стали при Е =200 ГПа должны составлять 7400 8000 МПа. WG= (3, 75 4, 22) к. Дж/моль , Ws ≈5, 0 к. Дж/моль, Wоб= (53, 0 57, 5) к. Дж/моль, т. о. Wм. п. ≈ 45 к. Дж/моль и МП происходить не должно! ОДНАКО… 5
Заметим, что работа внешних сил при МП не расходуется, т. е. А = ( v) = 0. Тогда, если изменение напряжений в системе при изменении объема v, то или где σ и v − напряжения, действующие в системе в исходном состоянии, и ее объем. Таким образом, при увеличении объема рассматриваемой системы во время МП Относительное изменение модуля напряжения в ней уменьшаются на упругости стали при закалке величину изменения объема в зависимости от концентрации углерода приблизительно на 4% для углеродистых сталей эвтектоидного состава и упругие напряжения сжатия от разности объемов А и М компенсируются за счет снижения модуля упругости! 6
Обратимость МП На сплавах Cu-Al Курдюмов и Хандрос обнаружили обратимость мартенситных превращений: n n Межфазные границы при повышении температуры перемещаются по путям, обратным тем, которые они проходили при охлаждении. Основными условиями реализации термоупругого равновесия являются: - накопление большой упругой энергии, которая может скомпенсировать уменьшение свободной «химической» энергии WG при охлаждении и стать основной движущей силой обратного превращения при нагревании; - отсутствие релаксационных процессов, которые могут нарушить когерентность на межфазной границе и термоупругое равновесие. Если когерентность границы нарушена и часть упругой энергии релаксирована, то обратное мартенситное превращение (ОМП) может начаться только при перегреве мартенсита выше Тф. п. 7
Условия начала фазового превращения Движущие силы превращения: В напряжениях: Условие начала превращения с учетом средних внутренних напряжений, создаваемых дефектами кристаллического строения: 8
Использование условия пластичности для описания точек МП Гипотеза: мартенситное превращение происходит в тот момент, когда интенсивность внутренних напряжений в металле σi при охлаждении достигнет значений, при которых становится выгодным образование новой границы путем сдвига σi = Δσгр= γ's/aгр. Выполнение этого условия возможно за счет различной деформации кристалла (зерна) вдоль различных кристаллографических направлений, обусловленной анизотропией упругих свойств кристалла, под действием внутренних напряжений Δσs(Т)+Δσф. п. (Т). В главных осях условие пластичности Мизеса имеет вид Условие пластичности А. Ю. Ишлинского учитывает влияние гидростатических напряжений: где - гидростатические (средние) напряжения 9
Для получения условия протекания сдвигового фазового превращения запишем условие пластичности Ишлинского в виде При ε=σ/Е это условие может быть записано в деформациях: ( )٭ Для монокристалла железа при Т = 20°С значение модуля упругости вдоль кристаллографических направлений анизотропно и составляет: Е = 284 ГПа для <111>; E = 222 ГПа для <110>; Е = 132 ГПа для <100>. При этом среднее значение 10
Условие ( )٭ может быть записано для различных кристаллографических направлений: - выполняется раньше остальных условий где Решение ( )٭ в зависимости от температуры представлено на с. 12 -13 11
Расчет температур начала и окончания мартенситного превращения Т, °С 723 673 623 573 523 473 423 σф. п. (Т)+ σs(T) 642 747 847 936 1032 1135 1222 Еср, ГПа 150 157 163 168 173 178 182 Е 111, ГПа 202 207 213 220 225, 4 231 237 Е 100, ГПа 84 88 92 96 100 104 108 ε 111, % 0, 32 0, 36 0, 425 0, 458 0, 491 0, 516 ε 100, % 0, 764 0, 849 0, 92 0, 975 1, 032 1, 091 1, 131 εср, % 0, 428 0, 475 0, 52 0, 557 0, 596 0, 638 0, 671 εi, % 0, 504 0, 561 0, 627 0, 652 0, 68 0, 69 εгр, % 0, 725 0, 725 Т, °С 373 323 273 223 173 123 73 σф. п. (Т)+ σs(T) 1314 1410 1512 1618 1730 1846 1938 Еср, ГПа 186 190 194 198 202 206 209 Е 111, ГПа 243 249 255 260 266 272 278 Е 100, ГПа 112 116 119 123 126 129 131 ε 111, % 0, 541 0, 566 0, 593 0, 622 0, 65 0, 689 0, 697 ε 100, % 1, 173 1, 216 1, 271 1, 315 1, 373 1, 431 1, 479 εср, % 0, 706 0, 742 0, 779 0, 817 0, 856 0, 896 0, 927 εi, % 0, 711 0, 738 0, 747 0, 775 0, 804 0, 825 εгр, % 0, 725 0, 725 12
Расчет температур начала и окончания мартенситного превращения График зависимости деформаций кристаллической решетки: 1 – εгр; 2 – εi для начала МП; 3 – εi для конца МП; 4 – при наложении растягивающих напряжений σ1= 150 МПа 13
Влияние напряжений на мартенситное превращение Под действием растягивающего напряжения σ1 = const, σ2 = 0, σ3 = 0 в металле возникают дополнительные гидростатические напряжения Δσср = σ1/3, которые приводят к увеличению напряжений σср до значений σср(Т) = σф. п. (Т) + σs(Т) + Δσср. Это вызовет изменение условия начала мартенситного превращения и смещение точек МП в зависимости от знака напряжений σ1 : вверх, если напряжения растягивающие, вниз, если напряжения сжимающие. Таким образом, сжимающие напряжения повышают устойчивость аустенита, растягивающие – снижают устойчивость аустенита. См. предыдущий слайд на с. 13 14
Расчет температур конца мартенситного превращения Мк Рассчитывается для микрообъемов, которые имеют минимальное значение внутренних напряжений, создаваемых дефектами кристаллического строения, σs → 0: Т, °С 373 323 273 223 173 123 73 23 -27 -77 σф. п. (Т) 1023 1100 1178 1260 1374 1438 1498 1558 1618 1688 Еср, ГПа 186 190 194 198 202 206 209 211 216 223 Е 111, ГПа 243 249 255 260 266 272 278 284 290 296 Е 100, ГПа 112 116 119 123 126 129 131 132 134 136 ε 111, % 0, 421 0, 442 0, 462 0, 485 0, 517 0, 529 0, 539 0, 549 0, 558 0, 567 ε 100, % 0, 913 0, 948 0, 99 1, 024 1, 09 1, 115 1, 143 1, 18 1, 21 1, 241 εср, % 0, 55 0, 579 0, 607 0, 636 0, 68 0, 698 0, 717 0, 738 0, 756 0, 757 εi, % 0, 545 0, 554 0, 575 0, 582 0, 615 0, 63 0, 64 0, 662 0, 682 0, 726 εгр, % 0, 725 0, 725 0, 725 15
Типичные структуры мартенсита в бронзах с ЭПФ 16
Замечания по поводу МП 1. Условия протекания МП при охлаждении от температур, превышающих р а в н о в е с н у ю т е м п е р а т у р у ф а з о в о г о п р е в р а щ е н и я Т ф. п. : а) чтобы уровень внутренних напряжений в металле σср(Т) = σф. п. (Т) + σs(Т) д о с т и г а л к р и т и ч е с к и х з н а ч е н и й ; б) чтобы кристаллическая решетка зерна обладала анизотропией. 2. Термическая стабилизация аустенита Последовательные стадии формирования мартенсита в стали 03 Х 12 Н 5 К 14 М 5 ВТ при охлаждении от 900 °С до комнатной температуры. Изображения получены с одного участка поверхности металла вакуумным травлением (фото Ю. В. Шахназарова и И. Н. Воробьевой) 17
3. Температурный гистерезис: Например, для никелида титана, наиболее распространенного сплава с эффектом памяти формы, при температуре мартенситного превращения Тм. п. =320 К и при значении энтропий Sм=28 Дж/моль К и Sм. п. =3, 5 Дж/моль К температурный гистерезис должен составлять Тг 40 C. Для бронзы Cu Zn Al c содержанием цинка 16, 5 % и алюминия 7, 2 % при Тм. п. =320 К, Sм=28 Дж/моль К и Sм. п. =1, 6 Дж/моль К температурный гистерезис должен быть не менее 18 C. 4. О тепловом эффекте превращения. Т. о. МП является релаксационным актом, при котором напряжения, возникшие при переохлаждении, частично снимаются 18
5. Изменение свойств при МП. При массе системы и температуре Т=Тф. п. : Если охлаждение происходит очень быстро и напряжения σф. п. не успевают релаксировать, то при понижении температуры металла они возрастают из-за изменения упругих свойств среды: при β=0, 7 и Еi|E 0=0, 67 Если считать приближенно, что мартенситное превращение происходит при температуре Т=300°С, то выделение теплоты Qм. п. и релаксация напряжений приведут к уменьшению термического упрочнения на величину Таким образом, общее упрочнение при закалке эвтектоидной стали cоставит σ упр = σт. упр− σрел = (1710÷ 1950) МПа, 19
Механический аналог деформируемой среды с фазовыми превращениями 20
Зависимости «напряжение-деформация» Зависимости σ(ε) для металла с деформационным мартенситным превращением: а) σМП < σт; I – упругая деформация аустенита, II – мартенситное превращение, III – упругая деформация мартенсита, IV – пластическая деформация мартенсита; б) σМП > σт; I – упругая деформация аустенита, II – пластическая деформация аустенита, III – мартенситное превращение, IV – пластическая деформация мартенсита 21
Скачать презентацию Мартенситные превращения 1 Общие положения Определение: МП
Мартенситные превращения.ppt