При облучении мартенсита высокоэнергетическими частицами (a-частицами, нейтронами, электронами) возникают значительные количества вакансий, которые служат «ловушками» для атомов углерода. Энергия взаимодействия атомов углерода с вакансиями (в отсутствие взаимодействия атомов углерода между собой) равна 0,41 эВ. Однако при достаточно высоком содержании углерода возникает тенденция атомов углерода к упорядоченному расположению в октаэдрических позициях внедрения. Поэтому эффективная энергия связи углерода с вакансией уменьшается с ростом содержания углерода в твердом растворе и при концентрации 1,5% С составляет всего 0,03 эВ. Наличие радиационных дефектов приводит к тому, что атомы углерода могут находиться в октаэдрических межузлиях одной подрешетки и в вакансионных «ловушках». Согласно теоретическим расчетам при концентрации углерода 0,8–1 мас.% и примерно равном количестве позиций возле вакансий процесс перехода атомов углерода в позиции возле вакансий носит характер фазового превращения первого рода с четко выраженной температурной границей, разделяющей указанные два состояния твердого раствора. При этом охлаждение облученного мартенсита ниже критической температуры приводит к спонтанной конденсации атомов углерода в вакансионных ловушках. Уход атомов углерода из нормальных позиций внедрения сопровождается падением тетрагональности, пропорциональному доле диффундирующих атомов углерода. Такой процесс наблюдали в стали Fe – 1 % С, облученной электронами с энергией 2,5 МэВ. Охлаждение мартенсита до температуры – 40°С уменьшало степень тетрагональности. Последующий отогрев увеличивал степень тетрагональности до исходного уровня. Таким образом, процессы перераспределения атомов углерода происходят значительно раньше возникновения карбидных фаз.
Процесс двухфазного распада. Рентгенографические исследования стали после отпуска в температурном интервале до 100–150°С (первая стадия распада мартенсита по Г.В. Курдюмову) показала уменьшение тетрагональности решетки мартенсита вследствие выделения углерода из твердого раствора. Распад мартенсита имеет двухфазный характер, т. е. наряду с раствором с исходной концентрации появляется «мартенсит отпуска» – твердый раствор, содержащий 0,2-0,3% С, что соответствует степени тетрагональности, равной 1,012-1,013. По мере протекания процесса отпуска количество обедненного углеродом раствора увеличивается. На прохождение двухфазного распада мало влияют такие легирующие элементы как Cr, Мо, W. Увеличение содержания углерода тормозит процесс распада, легирование никелем – ускоряет, а кремнием – замедляет его.
Кинетика процесса двухфазного распада мартенсита описывается экспоненциальным уравнением типа (282) при р =1/3 %. Такое значение показателя р в кинетическом уравнении соответствует одномерному росту частицы за счет дрейфа атомов углерода в поле напряжений.
На стадии двухфазного распада, по-видимому, отсутствует нормальная диффузия углерода на значительные расстояния, которая могла бы обеспечить формирование частиц карбидной фазы достаточно крупных и в достаточном количестве для их выявления с помощью современной методики структурного анализа (например, электронографически).
Рисунок 135 – Кристаллические структуры (тонкие линии) e-карбида типа e=Fe3N (толстые линии)
Процесс карбидообразования при отпуске стали. Изучение структуры карбидных выделений, их размеров, формы и распределения – один из важных вопросов отпуска сталей, поскольку процесс карбидообразования во многом определяет физические и механические свойства сталей.
При распаде мартенсита малоуглеродистых сталей, содержащих менее 0,2-0,3% С, образуется цементит, при более высоком пересыщении углеродом возможно образование метастабильных карбидов.
Взаимодействие атомов углерода с дефектами кристаллической решетки может быть термодинамически и кинетически более выгодным, чем образование карбида. Энергия связи углерода в e-карбиде составляет 0,27 эВ, т.е. меньше, чем энергия взаимодействия углерода с дислокациями и вакансиями. При увеличении температуры отпуска усиливается тепловое движение атомов углерода, вследствие чего уменьшается взаимодействие атомов угле рода сдефектами, и при температуре отпуска выше 200°С в этих сталях идет выделение равновесного q-карбида-цементита.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.