Особенности кинетики спинодального распада пересыщенных твердых растворов

• Автор: Ломаев, Степан Леонидович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 151 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.
1. ГЛАВА 1. Равновесные и метастабильные состояния твердых растворов в закритической области спинодального распада

1.1. Равновесные состояния твердых растворов с флуктуациями химического состава

1.2. Эффективный гамильтониан твердого раствора с флуктуациями химического состава

1.3. Нормировка спектра флуктуаций химического состава

1.4 Приближение хаотических фаз для эффективного гамильтониана твердого раствора в состоянии равновесия
1.5. Гауссово приближение для перенормированного потенциала взаимодействия атомов примеси в твердом растворе

1.6. Неравновесные спинодали в закритической области состояний твердого раствора

1.7. Параболическая аппроксимация для потенциалов взаимодействия атомов примеси

в твердом растворе
1.8. Форма спектра флуктуаций твердого раствора в закритической области спинодального распада
1.9. Сравнение результатов теории модулированных К-структур с экспериментом
1.10. Обсуждение результатов теории К-структур
1.11. Физическая интерпретация явления восходящей диффузии
2. ГЛАВА 2. Кинетические процессы спинодального распада
2.1. Физические представления о кинетических процессах при спинодальном распаде
2.2. Кинетическое уравнение процесса формирования К-структур в бинарном твердом растворе
2.3. Эффективный гамильтониан неравновесного твердого раствора

2.4. Поведение фона в спектре флуктуаций химического состава твердого раствора
2.5. Поведение критического пика в спектре флуктуаций в процессе формирования равновесных К-структур
2.6. Анализ результатов вычислений
2.7. Сравнение результатов кинетической теории формирования К-структур с экспериментом
2.8. Кинетика процесса спинодального распада в целом. Проблема физической интерпретации процесса спинодального распада в теории структурно-фазовых превращений
3. ГЛАВА 3. Приложения теории К-структур к исследованиям влияния критических явлений спинодального распада на прочностные свойства сталей и сплавов
3.1. Флуктуационные критерии пластичности и разрушения металлов и сплавов
3.2. Упругие поля, генерируемые критическими флуктуациями химического состава при спинодальном распаде в твердых растворах
3.3. Влияние флуктуаций концентрации примеси на механические свойства сталей и сплавов
3.4. Вязко-хрупкий переход и критические состояния металлов и сплавов при спинодальном распаде
3.5. Флуктуационная модель вязко-хрупкого перехода, возникающего при охлаждении сталей и сплавов в закритическую область спинодального распада
3.6. Сравнение модельных представлений флуктуационной теории вязко-хрупкого перехода с экспериментом
3.7. О возможных явлениях хладноломкости в закритической области спинодального распада сталей и сплавов
3.8. Возможные проявления эффекта отпускной хрупкости сталей в закритической области спинодального распада
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Значительная часть металлических материалов, используемых в технике, получают методами, основанными на широком использовании явления распада. Свойства сплавов теснейшим образом связаны с их кристаллической и субмикрокристаллической структурами. Морфология структуры во многом определяется термодинамическими и кинетическими факторами, при которых идет распад.
При распаде твердых растворов сплавы могут приобретать новые, необходимые для инженерных приложений свойства, поэтому распад является составной частью практически любой химико-термомеханической обработки металлических материалов. Наиболее ценными качествами обладают, как правило, сплавы с очень тонкой неоднородностью — так называемые дисперсионно-твердеюгцие, или стареющие твердые растворы [1,2].
Явление распада широко применяется при обработке сталей и чугунов. Существует широкое разнообразие выделений цементита и других карбидов, определяющих множество физических свойств сплавов на основе железа [1]. Его широко используют и при обработке сплавов на основе алюминия, титана и меди [1,3].
Одним из наиболее важных видов распада как для теоретического изучения, так и для практического использования является спинодальный распад [4,5]. Спинодальный распад чаще всего встречается при быстром охлаждении или закалке с отпуском [6,7]. Приведем несколько примеров спинодального распада, хорошо известных и широко применяемых в технике.
При достаточно высоких скоростях закалки в сталях происходит аустенитно-мартенситное превращение. Структура мартенсита неравновесна, и в ней есть большие внутренние напряжения, что в значительной степени определяет высокую твердость и прочность сталей с мартенситной структурой [1,3,8]. При дальнейшем отпуске в стали начинается процесс спинодального распада, что в зависимости от условий может приводить к различным результатам. Хорошо изучено явление, когда при отпуске мартенситной структуры происходит диффузионное перераспределение атомов углерода. В стали возникают две фазы - феррит, содержащий очень мало углерода (до 0,02 %), и цементит (6,67 % углерода) [1,8-10]. Такую процедуру применяют для получения более высокой пластичности и снижения хрупкости материала при сохранении приемлемого уровня его прочности.
В настоящее время особый интерес вызывают мартенситно-стареющие стали -высокопрочные стали интерметаллидного упрочнения, в которых при закалке получается

термодинамическом отношении, представляющие собой неоднородные трехмерные распределения примеси в кристаллической решетке высокотемпературной фазы. Весьма вероятно, что К-структуры представляют собой наиболее являются близкое к а-фазе равновесное или метастабильное состояние твердого раствора в закритической области состояний. Это следует из того, что по типу кристаллической решетки они полностью совпадают с а-фазой, при их формировании не нужно тратить энергию на производство поверхностей раздела фаз, распределение примесных атомов в них имеет намного меньшие градиенты чем в смесях различных фаз. Поэтому а-фаза из сильно неравновесного однородного состояния могла бы наиболее быстро огрелаксировать не к смеси новых фаз с различным содержанием примеси и другой кристаллической решеткой, а именно к К-структурам.
Цель настоящей главы состоит в исследовании условий возникновения равновесных К-структур и описании их свойств в закритической области спинодального распада.
1. Равновесные состояния твердых растворов с флуктуациями химического состава
Изучение свойств равновесных состояний термодинамических систем основано на определении их термодинамических потенциалов и вероятностей состояний стандартными методами статистической физики [31]:

Р = -квТР(Х/,хе,хс) = Аег. (1.1)
ДГу- хе хс
Здесь Г1 - свободная энергия равновесного твердого раствора, Т - абсолютная температура, кв - постоянная Больцмана, Н = Н(х{,хе,хс) - гамильтониан системы, зависящий от
множеств х{, хе и хс переменных, описывающих фононные, электронные состояния и
флуктуации химического состава твердого раствора соответственно; Р(х,хе,хс)
вероятность найти систему в состоянии хг, хе и хс, А — постоянная. Суммирование в
выражении (1) приводится по всем возможным значениям переменных из множеств х(, хе и
хс. Введем величину:
С = -квТ 1п]Г2>~- (1.2)
X, X,
При малых значениях внешнего давления величина О эквивалентна термодинамическому потенциалу Гиббса случайного неоднородного состояния твердого раствора (при