Актуальность темы
Изучение физических механизмов реализации мартенситных превращений привлекает внимание большого числа исследователей, поскольку эти превращения обладают богатым спектром особенностей и имеют широкое прикладное значение при создании материалов. Применительно к реконструктивным превращениям с ярко выраженными признаками кооперативных превращений первого рода, типичным примером которых является у-а (ГЦК-ОЦК или ОЦТ) МП в сплавах железа, удалось построить динамическую теорию (главным образом, усилиями научной школы М.П. Кащенко), решающую, в принципе, ряд фундаментальных проблем, не получавших ранее адекватного объяснения. По существу предложена новая парадигма для подобных превращений, способных протекать в сверхзвуковом режиме. Разумеется, дальнейшее развитие динамической теории представляет актуальную задачу физики конденсированного состояния. Достигнутое понимание механизма волнового управления ростом кристалла мартенсита позволяет выделить в качестве первого этапа превращения - процесс возникновения начального возбужденного состояния (НВС) в локальных областях, характеризуемых экстремумами упругого поля деформаций, создаваемых дефектами (как правило, дислокационной природы). В данной работе основное внимание уделяется развитию именно этого этапа, связанного с расчетами упругих полей, как отдельных дислокационных петель, так и их суперпозиций, сопоставляемых носителям сдвига, локализованного в полосах с ориентировкой границ, как правило, не совпадающих с плоскостями плотной упаковки атомов.
Степень разработанности темы исследования
Постановка задачи об идентификации центров зарождения на основе расчетов упругих полей дефектов в идеологическом отношении осуществлена (и продемонстрировала свою эффективность и конструктивность на ряде примеров) в рамках динамической теории мартенситных превращений. Однако, многообразие конфигураций дефектов, как и вариантов мартенситных реакций в металлах и сплавах, требуют конкретизации и дальнейшего развития расчетных схем, а также расширения области приложения теории. Более подробно эти вопросы освещаются в первой главе, а также в начале четвертой, пятой и шестой главы.
Цель работы
Цель работы состоит в том, чтобы для идентификации дислокационных центров зарождения (ДЦЗ) мартенсита в русле динамической теории МП расширить спектр моделей ДЦЗ так, чтобы они могли отражать существенные изменения состояния исходной среды. Акцентируется внимание на изменениях, связанных либо с влиянием точечных дефектов, либо с изменением дислокационной структуры в ходе предварительной пластической деформации.
Достижение этой цели потребовало постановки и решения следующих задач исследования:
1. Исследование влияния на упругое поле дислокационных петель упругих полей точечных дефектов;
2. Исследование влияния изменений ориентаций векторов Бюргерса на области локализации НВС для дислокационных центров зарождения (ДЦЗ) новой фазы;
3. Обобщение методики расчета упругого поля отдельной дислокационной петли на случаи ансамблей дислокационных петель, моделирующих кристонные носители сдвига;
4. Выполнение анализа возможных сценариев формирования бимодального состава макропластины бейнитного феррита в низкоуглеродистых сталях;
5. Идентификация ДЦЗ мартенсита с габитусами {334}а и {8 9 12}а при а-е (ОЦК-ГПУ) мартенситном превращении в Ti.
Научная новизна
Впервые получены следующие результаты:
1. Создан программный комплекс, позволяющий по известным упругим модулям и конфигурации дислокационных петель находить упругие поля ДЦЗ, проводить анализ их экстремумов и рассчитывать спектр ожидаемых габитусных плоскостей. Существенным развитием, по сравнению с предыдущей версией комплекса, является возможность рассмотрения суперпозиций петель и их дополнения точечными дефектами.
2. Показано, что распространение кристона в метастабильном аустените, формирующего кристалл мартенсита деформации (внутри полосы сдвига с теряющей устойчивость решеткой) может сопровождаться формированием ансамбля мелких кристаллов, обрамляющих «материнскую» пластину. В частности, указанному выводу соответствует наблюдаемый симбиоз между реечными кристаллами с габитусами {557}у и пластинами частично двойникованных кристаллов с габитусами {225}у, не получавший ранее объяснения с динамических позиций.
3. Наблюдаемое смещение центров распределения ориентировок габитусных плоскостей кристаллов мартенсита систем Fe-C к полюсам <259>у в отличие от <3 10 15>у для систем Fe-Ni получило естественную интерпретацию, как следствие модификации упругих полей дислокационных петель типа «дырка» за счет внедрения в них атомов углерода.
4. Наблюдаемое после предварительной интенсивной пластической деформации обогащение спектра ориентировок габитусных плоскостей, также как и сосуществование кристаллов мартенсита с отличающимися ориентационными соотношениями, объяснено как результат модификации типичных дислокационных центров зарождения и формирования новых центров.
5. Впервые установлено, что в рамках динамического подхода для у-а мартенситного превращения возможен механизм кооперативной перестройки, связанный с наибыстрейшей трансформацией не только плоскостей {110}у аустенита, ведущей к материальным ориентационным соотношениям, близким к соотношениям Нишиямы, но и плоскостей {111}у аустенита.
6. Предложены и обсуждены сценарии формирования дополнительной компоненты макропластины бейнитного феррита. Косвенные аргументы свидетельствуют в пользу сценария образования этой компоненты по тому же механизму, что и основная компонента, но в пластинчатых областях двойникового аустенита.
7. Показано, что образование кристаллов е-мартенсита с габитусами {334}а и {8 9 12}а, при быстрой трансформации плоскости {110}а, получает естественное объяснение в динамической теории формирования мартенситных кристаллов. Кристаллам с указанными габитусами сопоставляются ДЦЗ, содержащие в качестве основных сегментов, линии Л И <110 >а.
8. Найдено, что кристаллам с габитусами {334}а сопоставляется краевой вектор Бюргерса, удовлетворяющий критерию устойчивости Франка.
Причем уже одного пересечения двух стандартных для ОЦК решетки систем скольжения оказывается достаточным для формирования ДЦЗ, упругие поля которого способствуют возникновению необходимого для роста в волновом режиме кристалла.
9. Показано, что переход от габитусов с парой равных индексов {334}а к габитусам с парой близких, но заметно различающихся индексов {8 9 12}а, связан с модификацией ДЦЗ, векторы Бюргерса которых приобретают смешанные ориентации.
Методология и методы исследования
Работа выполнена в рамках динамической теории мартенситных превращений. Центральную роль в теории быстрого формирования кристаллов играет концепция НВС. НВС локализуются в определенных областях решетки исходной фазы, симметрия которой нарушается упругим полем дефектов, снижающим межфазный барьер. В связи с этим методология в качестве необходимого этапа исследований включает расчет упругих полей дефектов (как правило, отдельных дислокаций или их ансамблей) с последующим отбором областей, благоприятных для локализации НВС. Колебательный характер НВС позволяет определить наиболее вероятные направления волновых нормалей волн, управляющих ростом мартенситного кристалла и рассчитать ожидаемые морфологические признаки. При совпадении результатов расчета с экспериментальными данными можно с большой степенью вероятности идентифицировать дефекты, играющие роль центров зарождения.
Положения, выносимые на защиту:
1. Процесс формирования определенных ансамблей мелких мартенситных кристаллов, можно интерпретировать как следствие роста «материнского» кристалла, инициирующего их образование.
2. Наблюдаемое различие центров распределения габитусных плоскостей систем Fe-Ni и Fe-C обусловливается модификацией упругого поля дислокационных петель примесью внедрения.
3. Возможность реализации механизма кооперативной перестройки, может быть связана с наибыстрейшей трансформацией не только плоскостей {110}у аустенита, ведущей к материальным ориентационным соотношениям, близким к соотношениям Нишиямы, но и плоскостей {111}у аустенита.
4. Образованию бимодальной структуры (БМ) реечных компонент макропластины бейнитного феррита в сплавах на основе железа можно сопоставить три сценария формирования дополнительной компоненты БМ с габитусами вблизи {774}у: упругие поля ДЦЗ модифицируются полем сжатия от предшествующего реечного кристалла (основной компоненты БМ), формирование происходит в области двойникованного аустенита либо соответствует инвариантной плоскости упругого поля ДЦЗ вне экстремальных значений главных деформаций.
5. Дислокационные центры зарождения кристаллов мартенсита с габитусами {334}а и {8 9 12}а в титане различаются ориентациями векторов Бюргерса по отношению к линиям <110>а.
Научная и практическая ценность работы
Полученные результаты вносят значительный вклад в развитие динамической теории реконструктивных мартенситных превращений, не только подтверждая и количественно уточняя высказанные ранее предположения, но и расширяя спектр возможностей приложения теории при обработке накопленной информации о мартенситных превращениях для большого числа сплавов. Можно прогнозировать, что развитая методология идентификации ДЦЗ будет востребована не только при анализе наблюдаемой картины превращения, но и при разработке программ дальнейших экспериментальных исследований.
Достоверность результатов работы
Достоверность результатов работы основывается на сравнительном анализе литературной базы данных, использовании проверенных методик расчета и физических положений, логической согласованности работы и соответствии полученных результатов наблюдаемым экспериментальным фактам.
Личный вклад автора
На всех этапах работы (написание литературного обзора, детализация постановки задачи, выполнение расчетов упругих полей дефектов и их обсуждение) автором внесен существенный вклад. В том числе лично автором реализован программный комплекс, позволяющий значительно сократить время анализа упругих полей дислокационных центров зарождения мартенсита.
Апробация работы
Материалы диссертации были представлены на IV и XII Международной школе - семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах (Барнаул, 1998, 2012), II III и IV
Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» им. В.А. Лихачева (Старая Русса, 1998, 1999; Великий Новгород, 2000), XXXV и XXXVI семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Псков, 1999; Витебск, 2000), на международной конференции «САЭАМТ' 2001» (Томск, 2001), на XVI и XXI Уральской школе металловедов - термистов (Уфа, 2002; Магнитогорск, 2012), на Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов» (Черноголовка 2002), VI международном симпозиуме «Современные проблемы прочности» им. В.А. Лихачева (Старая Русса, 2003), на Международном научно-техническом семинаре «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов» (Москва. НИТУ-МиСИС, 2011), на Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Уфа, 2012), XX Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2012), на VII Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2012), XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2012).
Публикации
Результаты работы представлены в 17 научных публикациях, включая 7 статей в рецензируемых научных журналах из рекомендованного списка ВАК РФ.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы. Она изложена на 150 страницах машинописного текста, включая 36 рисунков, 9 таблиц и список литературы, содержащий 154 наименования.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
