Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
В большинстве случаев количество образовавшегося мартенсита зависит от температуры, при которой проходит превращение, но не от времени выдержки при данной температуре. Поэтому превращение называется атермическим. Общая кинетика мартенситного превращения зависит от процессов образования зародышей и их роста, при этом доминирующим является наиболее медленный из них. Например, медленный термически активируемый процесс образования зародышей в ряде случаев может доминировать и приводить к зависящим от времени превращениям, которые называются изотермическими.
Между мартенситной и исходной фазами существует строгая кристаллографическая связь - соответствие решеток (ориентационное соответствие). Соответствие решеток в большинстве мартенситных превращений обычно предполагает существование плотноупакованных плоскостей и направлений в новой и материнской фазах, которые примерно параллельны. Новая фаза, имеющая форму пластин или линз и называемая мартенситом, образуется только по ограниченному числу направлений в исходной фазе и поэтому габитусные плоскости, которые примерно параллельны поперечным сечениям мартенситных пластин, имеют такие же направления (рис. В). Такая форма мартенсита соответствует минимуму суммы энергии упругих искажений и межфазной энергии.
Деформация решетки, требующаяся для формирования новой фазы, включает (1) координированное (кооперативное) смещение или сдвиг атомов, при котором происходит однородное преобразование одной кристаллической решетки в другую (рис. Г), так называемая деформация Бейна, впервые предложенная Э. Бейном (1924 г.) для описания мартенситного превращения гцк решетки в оцк (точнее, - в объемноцентрированную тетрагональную) в сплавах железа, и (2) разворот решетки, необходимый для совмещения области превращения и смежной исходной матрицы.
Многие сдвиговые превращения также включают перемещения, т. е. координированный сдвиг атомов в пределах элементарной ячейки, который изменяет структуру, но не перестраивает искаженную деформацией однородную решетку. При мартенситных превращениях преобладают не перемещения, а деформации решеток. Как отмечалось выше, сдвиговый компонент деформации может играть роль в кинетике и морфологии превращений. Вот почему, например, бездиффузионное превращение гцк у-фазы в a-фазу в церии при низких температурах не считается мартенситным. Отметим, что оно сопровождается сильным гидростатическим сжатием объема, а не сдвигом. С другой стороны, у-у°-а"-преврашение в уране с 6 мае. % ниобия рассматривается как мартенситное, хотя оно и связано с перемещением атомов, поскольку в течение всего процесса доминирует сдвиг.
326
Los Alamos Science Number 26 2000
Плутоний и его сплавы
(а)
T^-Mi
Габитусная
плоскость
мартенсита
TifJM
'••Ж
Возникающие при мартенситном превращении искажения решетки создают энергию деформации, которая должна быть понижена за счет дополнительных смещений, которые могут проходить неоднородно и являться составной частью превращения. Эти смещения осуществляются путем скольжения или двойникова-ния в новой фазе и называются решеточно-инвариантными, так как не изменяют ее кристаллическую структуру (рис. Г (б-в)). Следовательно, деформация решетки вызывает искажение в претерпевшей превращение области, тогда как решеточноинвариантная деформация работает на снижение величины этого искажения. Неоднородный решеточно-инвариантный сдвиг позволяет сохранить габитусную плоскость макроскопически неискаженной.
Свободная энергия, требующаяся для гомогенного зарождения мартенсита только за счет тепловых флуктуаций, слишком высока и поэтому в данном процессе ведущую роль играют дефекты. Однако в отличие от диффузионных превращений, которые, как правило, начинаются на границах зерен и включений, мартенситные превращения зарождаются преимущественно на скоплениях дислокаций, поскольку их поля упругих деформаций способствуют понижению энергии деформации мартенсита. Олсон и Коэн (1981) показали, что существующие дислокационные скопления обеспечивают необходимые центры для образования зародышей. Должным образом организованные и контролируемые термодинамической силой, приводящей к фазовому превращению, такие дислокации могут диссоциировать и способствовать процессу зарождения. В отличие от этого Клэпп (1973) предположил, что образование зародышей новой фазы инициируется вызванной деформациями упругой неустойчивостью в особых областях исходной решетки и что включение ангармонических членов в упругую свободную энергию будет значительно понижать барьер зарождения, имея в виду, что тепловые колебания (фононы) в этих аномальных областях играют важную роль в процессе зарождения. Такие процессы зарождения должны сопровождаться “предмартенситным” фононным смягчением решетки. Мягкие моды наблюдались в разных системах, таких как Ti-Ni, Au-Cd и Au-Cu, но не в сплавах железа. Механизмы зарождения мартенсита еще не до конца изучены и сегодня остаются областью интенсивных исследований.
После преодоления активационного барьера мартенситные пластины быстро растут до встречи с препятствием, например, границей зерен или другой мартенситной пластиной. Поскольку мартенсит растет при низкой температуре и с высокой скоростью, граница превращения должна быть очень подвижной. Установлено, что в стали мартенситные пластины образуются за IO-7 с со скоростью, близкой к скорости звука. Зародыши мартенситов утолщаются за счет скольжения или двойни-кования. Дислокации, возникающие при превращении, существенны при перемеще-
