Мартенситные превращения. Мартенситное превращение в сплавах на основе железа. Строение мартенсита в сплавах с цветными и благородными металлами, страница 5

sn – деформация с инвариантной плоскостью, когда величина смещений атомов пропорциональна расстоянию от некоторой инвариантной плоскости, обозначенной направлением нормали к ней n (рисунок 108).

Нарисунке 109а показана зависимость свободной энергии решетки от параметра деформации ε. Первый относительный минимум соответствует структуре исходной фазы, второй (абсолютный) минимум при деформации s_o соответствует структуре новой фазы. ∆F_o – термодинамический стимул превращения.

Рисунок 109 – Схемы изменения свободной энергии при однородной деформации (а) и энергии межфазовой границы в виде переходного слоя (б)

Локальная свободная энергия зависит не только от величины деформации, нои от ее градиента. Поэтому на рисунке 109б межфазовая граница представлена как переходный слой, в котором вектор деформации s, характеризующий положение атомов, постепенно меняется по направлению и по величине. Такая граница подобна стенке в доменной структуре ферромагнетика. Равновесную структуру, толщину границы l_n и ее энергию Г(n) определяют из условия минимума свободной энергии. В процессе превращения, идущего как деформация решетки с инвариантной плоскостью, межфазовая граница движется параллельно самой себе. Это движение сопровождается периодическим увеличением энергии границы в соответствии с периодичностью в структуре в направлении n. Если толщина границы равна периоду решетки, то приращение энергии границы

                                                                    ∆Г=и_aа.                                                            (256)

Толщина границы может быть на порядок больше периода решетки, так как чем сильнее размыта граница, тем меньше активационный барьер. Поскольку менее резко изменяется структура (деформация), то изменение энергии при движении границы:

                                                                 ∆Г=и_aаφ(l_n)                                                         (257)

где φ(l_n) – убывающая при увеличении l функция.

При ln=a φ=1; кинетика движения границы должна зависеть от соотношения между барьером для перемещения ∆Г и термодинамическим стимулом превращения ∆F_o. Величина ∆F_o возрастает с увеличением отклонения системы от состояния равновесия (для превращений при охлаждении максимум ∆Fо макс должен быть при Т=0 К). Если ∆Г>∆Fо макс, то движение границы во всем температурном интервале превращения требует термической активации. Скорость роста кристалла изменяется от нуля при температуре возле точки равновесия до максимума при некотором переохлаждении и затем снова уменьшается до нуля при Т→0 К в связи с уменьшением вероятности необходимых для превращения тепловых флуктуаций (кривая 1 на рисунке 110).

Если ∆Г>∆F_{0 МАКС}, то при достаточном отклонении от равновесия (т. е., например, при достаточном переохлаждении) движение границы не требует термических флуктуаций и превращение идет «безбарьерным», или, луше сказать, «надбарьерным» путем. Скорость такого надбарьерного роста должна быть близкой к скорости звука. С повышением температуры растет динамическое трение, поэтому температурная зависимость скорости надбарьерного роста (кривая 2 на рисунке 110) при низкой температуре противоположна зависимости для термически активируемого роста. Среди исследованных мартенситных превращений в большинстве случаев наблюдалась надбарьерная кинетика роста. В связи с очень большой скоростью роста мартенситных кристаллов в определении температурной зависимости скорости превращения (или объема превращения) существенна температурная зависимость зарождения мартенситных кристаллов.