Типовой химический состав технического железа

При горячей пластической деформации границы раздела (зерен, субзерен и фаз) являются наиболее чувствительными объектами к оказываемому воздействию. Любые изменения в размерах и ориентации объектов мезоструктурного уровня сопровождаются изменением протяженности границ раздела.

ε=30% ε=50% ε=70% а)	б)
Рис. 21 а) Изменение формы образцов при горячем сжатии на разную величину деформации ε с указанием местоположения участка для структурного анализа на осевом аналитическом сечении пробы; б) Склоны функций распределения протяженности границ зерен после сжатия при 1000 оС со скоростями от 10-3 до 100 мм/с. Стрелки указывают на особенности в форме функций распределения.

Указанные эффекты наиболее заметны при режимах деформации, когда происходит дробление (фрагментация) зерен с образованием субзерен (έ→10²мм/с) или их объединение собирательной рекристаллизацией (έ~10^-3мм/с).

Рис. 22 Электронно-микроскопическое изображения фрагментированной структуры в техническом железе (слева) и схема ее интерпретации в терминах теории дислокаций (справа), где значками в форме буквы «т» обозначены дислокации, а треугольниками черного и белого цветов – диполи частичных дисклинаций разной мощности.

Электронно-микроскопическими исследованиями тонких фольг, подготовленных из образцов после их горячего сжатия, установлено, что на дифракционных изображениях дислокационных структур доминировали построения в виде фрагментов с границами, образованными частичными и стыковыми дисклинациями. Образование фрагментированных структур – один из основных механизмов диссипации механической энергии (рис. 22).

Эксперименты с имитацией ТМО сплавов на основе железа проводились с низкоуглеродистыми сталями хромоникелевой композиции, которые широко используются в машиностроении. При комнатных температурах стали судостроительного назначения характеризуются структурой феррито-мартенситного вида пакетно-реечной морфологии (рис.23).

Отличительной особенностью низкоуглеродистых экономно легированных сталей является малая вероятность получения мартенситной или бейнитной структуры при охлаждении после горячей пластической деформации.

а)	б)
в)	г)
Рис. 23 Примеры структур в сталях 09Г2ФБ (а, б) и 09ХН3МД (в, г) после закалки от 9100С с разными скоростями охлаждения: ~2 0С /с (а, в) и 100 0С /с (б, г). Изображения получены при оптическом увеличении х500.

Бейнит представляет собой кристаллиты игольчатой или реечной морфологии. На начальных этапах γ→α превращения при постоянной температуре или непрерывном охлаждении зародыши бейнита характеризуются повышенным уровнем латентной упругой энергии. Кластеры бейнита распространены во многих сталях, где морфологический переход γ→α реализуется с участием диффузионных процессов. Например, среди сталей типа 09Г2, а также при легировании небольшими количествами хрома и никеля.

После ускоренного охлаждения в морфологии бейнита доминируют рейки, сгруппированные в ориентированные пакеты, на границах которых выделяются частицы карбидов, в основном цементита Fe₃С. Методами просвечивающей электронной микроскопии в низкоуглеродистых сталях обнаруживают различные по своей морфологии бейнито-мартенситные кристаллы (рис. 24):

- мартенсит самоотпуска и реечный мартенсит;

- бейнит реечного типа без карбидов;

- бейнит гранулярный без карбидов.

а)	б)	в)
Рис. 24 В малоуглеродистых экономно легированных сталях слоистые структуры феррито-перлитного –а) и феррито-бейнитного типа –б), видимые на экране светового микроскопа. Рейки бейнита на экране просвечивающего электронного микроскопа –в).

В зависимости от типа и расположения карбидов также различают бейнит с выделениями внутри кристаллов, по границам и др. Известны и другие варианты классификации рассматриваемого структурного образования в сталях. Наиболее распространенными типами бейнитной структуры являются реечная и гранулярная морфологии.

Реечный бейнит образуется в укрупненных зернах аустенита при ускоренном охлаждении и состоит из пакетов (групп) однонаправлено расположенных кристаллитов в форме реек.

Гранулярный бейнит формируется в зернах относительно малого размера при умеренных скоростях охлаждения и не имеет регулярной пакетной структуры.

И вместе с тем необходимо признать, что бейнит представляет собой структурное образование переменной морфологии, подверженное влиянию не только химического состава, термического воздействия, но и предшествовавшей истории обработки слитка. В этом кроется ответ на вопрос, почему до сих пор не выработаны единые принципы и критерии классификации бейнита и других структур переменной морфологии.

На некоторых электронно-микроскопических снимках бейнито-мартенситных структур внутри и вдоль границ пакетов обнаруживается дифракционный контраст в виде чередующихся сгущений интенсивностей (рис. 25).

а)	б)
Рис. 25 а) Электронно-микроскопическое изображение структуры «самоот-пуска» бейнито-мартенситной морфологии с карбидами Ме3С в стали 09ХН2МД, обработанной по технологии ТМО; б) Периодический дифракционный контраст в пакетах мартенсита.

Максимумы интенсивности свидетельствуют о локализации латентной энергии и высоких уровнях структурных напряжений, вызванных полями изгиба - кручения в кристаллической решетке. Из периодичности в расположении интерференций следует, что зоны с накопленной латентной энергией чередуются с областями микропластической релаксации. Дифракционный контраст является результатом прохождения одиночного фронта пластической аккомодации с плотностью дислокаций ρ:

dρ/dt = D (d²ρ/dr²)+A₁ρ – A₂ρ².

Перемещение дефектов зависит от коэффициента диффузии D. Истоко - стоковые слагаемые с коэффициентами А₁ и А₂ определяют кинетику перестройки, r – координата, t - время.

В приведенной записи уравнение характеризует кинетику самоорганизации дислокаций вблизи границ субзерен. Малые сдвиги описываются суперпозицией упругопластических волн p_jw вида:

p_jw = p_jo exp{ ft + i 2pr/l },

где f – комплексные частоты, t – время, l - длина волны, которая может рассматриваться как один из характеристических масштабов структуры.

В решении дифференциального уравнения комплексные числа свидетельствуют о том, что искомая функция является колебательной.

Приведенный пример аттестации структуры стали после термопластической обработки и закалки видится важным, поскольку косвенно указывает на перераспределение латентной упругой энергии механизмом самоорганизации в форме автоволнового процесса. Заметим, что упругопластическая аккомодация структурных объектов локализована вблизи границ, где возможно выпадение упрочняющих частиц (карбидов) разного химического состава, размеров и морфологии согласно схеме:«исключительное» место на границе → кластер из атомов примеси → зародыш метастабильной фазы переменного состава → зародыш фазы стехиометрического состава → мелкодисперсная упрочняющая частица (преципитат).

Одной из особенностей описанного сценария является взаимодействие между атомами на квантовом уровне в объемах наноразмерного масштаба.