» » Неравномерность распределения компонентов в твердом растворе
30.01.2015

Известно, что механические свойства твердого тела определяются двумя основными факторами: структурой и составом. Структура определяет распределение действующих напряжений по участкам объема тела. Состав определяет в свою очередь уровень сил межатомной связи, сопротивляющихся деформирующему действию напряжений. Как уже отмечалось, в реальных твердых телах структура и состав характеризуются неоднородностью.
Неравномерности состава подразделяются на две группы. К первой относятся неравномерности, возникающие в макроскопических участках объема твердого тела. Сюда прежде всего относятся неравномерности типа ликвации сплавов, в частности дендритная ликвация, незавершенные процессы перехода кристаллов избыточной фазы в твердый раствор или их выделения из твердого раствора при изменениях температуры. Эти неравномерности и их изменения регулируются закономерностями, выраженными диаграммами состояния сплавов. Данные неравномерности с той или иной скоростью выравниваются путем выдержки при определенной температуре.
Другая группа неравномерностей распределения компонентов в объеме твердого раствора обусловливается факторами, независящими от диаграммы состояния сплава. Действие этих факторов изменяет равновесное состояние твердого раствора, отклоняя его от идеализированной картины однородной среды. Это — факторы, вызывающие те или иные структурные неоднородности в однофазном твердом тепе или же изменяющие уровень таких неоднородностей.
Структурные неоднородности характеризуются с кристаллогеометрической стороны искажениями решетки, т.е. нарушениями правильной периодичности расположения атомов, свойственной структурно-однородному телу, и с энергетической стороны - избыточной энергией искажения решетки. На практике существует возможность понижения избыточной энергии структурной неоднородности посредством замены атомов одного компонента атомами другого. Попадая путем диффузии в участки с искаженной решеткой, атомы тем прочнее оседают в них, чем больше снижается при этом избыточная энергия. Эти явления возникновения и длительного сохранения концентрационной неравномерности вследствие наличия структурной неоднородности В.И. Архаров назвал внутренней адсорбцией в твердых телах.
При гомогенизирующем отжиге межкристаллитная внутренняя адсорбция не только не устраняется в отличие от дендритной неоднородности, а напротив, может значительно усиливаться. Это необходимо учитывать на практике термической обработки сталей и сплавов.
Ю.Н. Таран и Л.М. Снаговский экспериментально выявили структурную неоднородность эвтектической составляющей 1150-кг слитка стали Р6М5. В результате было установлено, что в слитке наблюдаются четыре морфологических типа эвтектик: скелетная эвтектика на базе карбида Me6С; ванадиевокарбидная эвтектика на базе карбида MeС; стержневая эвтектика на базе карбида Me2С и пластиночная эвтектика также на базе карбида Me3С.
Металлографическое исследование эвтектической составляющей структуры промышленного слитка стали Р6М5 позволило выявить две основные составляющие микроструктуры: дендриты продуктов распада аустенита и эвтектику, расположенную между ветвями дендритов. Преобладающей эвтектической составляющей слитка стали Р6М5 является пластиночная эвтектика, которая располагается по всему объему слитка. Колонии стержневой эвтектики в основном располагаются в прикраевой зоне слитка, скелетная эвтектика находится главным образом в ликвационных участках, а ванадиевокарбидная эвтектика встречается в малых количествах во всех участках слитка. Если за 100% принять общее количество пластиночной, стержневой и скелетной эвтектик, то на каждую из них придется примерно 70; 20 и 10% соответственно.
Опыты по изучению влияния скорости охлаждения расплава в интервале температур кристаллизации от 60 до 1000 °С/мин показали, что с увеличением скорости количество колоний пластиночной эвтектики уменьшается, а стержневой и ванадиевокарбидной увеличивается и при скорости 400 °С/мин и выше пластиночная эвтектика практически не образуется. Повышение содержания азота приводит к увеличению количества колоний стержневой эвтектики и при концентрации азота в стали около 0,05% кристаллизуется только стержневая эвтектика. Раскисление стали алюминием в количестве 0,5% сопровождается противоположным эффектом: вся эвтектическая составляющая представлена колониями пластиночной эвтектики. Изменение содержания вольфрама и молибдена в стали типа Р6М5 от нуля до 9% показало, что максимальное количество пластиночной эвтектики наблюдается при 6% W и 5% Mo. Определяющее влияние на структуру эвтектической составляющей стали Р6М5 оказывает ванадий. При отсутствии в стали ванадия или при малом его содержании (меньше 1,5%) пластиночная эвтектика не образуется при любых содержаниях остальных элементов, входящих в состав стали Р6М5.
Ю.Н. Таран и Л.М. Снаговский с помощью локального рентгеноспектрального анализа определили химический состав эвтектических карбидов различного типа, который приведен в табл. 9.
Неравномерность распределения компонентов в твердом растворе

Структурная и фазовая неоднородность, наблюдаемая в промышленном слитке стали Р6М5, приводит к снижению пластичности стали. Рациональным легированием и модифицированием можно в значительной степени уменьшить эту неоднородность и повысить горячую пластичность стали.
Так, повышение концентрации кремния в стали Р6М5 приводит к увеличению содержания эвтектики, а при 1,6% Si и выше в стали наблюдается только скелетная эвтектика. Введение в сталь алюминия уже в количестве 0,5% приводит к формированию только колоний пластиночной эвтектики. Никель и кобальт также стабилизируют пластиночную эвтектику, а введение в сталь кальция и азота, напротив, стабилизирует стержневую форму роста карбида Me2C и при введении 0,2% Ca в стали наблюдается только стержневая эвтектика. Остальные элементы (титан, ниобий, цирконий, сера, теллур) незначительно влияют на морфологию эвтектических колоний.
Вместе с тем было установлено уменьшение размеров дендритов при введении 0,1% Zr, до 0,3% Nb, до 0,75% Ce, до 0,2% Ca, до 0,5% Y, до 03% Te. Дальнейшее повышение количества вводимого в сталь легирующего элемента или модификатора сопровождается появлением большого количества неметаллических включений и уменьшением их положительного влияния. К уменьшению размеров сечений дендритов в стали Р6М5 приводит введение в сталь циркония, титана, ниобия, церия, кальция и теллура. При этом средний размер эвтектических карбидов изменяется незначительно (от 1,4 до 2,6 мкм).
Неравномерность распределения компонентов в твердом растворе

Горячая пластичночть стали Р6М5 повышается при измельчении дендритной структуры и получении однотипной эвтектической структуры (стержневой или пластичной), при этом влияние эвтектической структуры проявляется сильнее, чем дендритной.
Модифицирование стали Р6М5 азотом совместно с цирконием сопровождается повышением технологической пластичности стали и увеличением стойкости инструмента, изготовленного из этой стали, на 22—23%.
Одной из важнейших характеристик субструктуры металла являются размеры и разориентировка фрагментов зерна, разделенных дислокационными границами. В соответствии с существующими представлениями дислокации в литом металле могут зарождаться в результате: 1) сдвиговой деформации, возникающей при разных изменениях параметра решетки в результате неоднородного распределения примесей; 2) конденсации вакансий в дискообразные скопления с последующим сплющиванием диска; 3) сдвиговой деформации, возникающей в результате термических напряжений, внешних механических усилий; 4) срастания совершенных участков кристаллов с различной ориентацией.
Дислокации могут также прорастать в растущий кристалл из подложки. Это обусловлено тем, что дислокации могут заканчиваться только на свободной поверхности. Согласно исследованию Ю.З. Бабаскина, присадки нерастворимых примесей приводят к существенному торможению миграции границ субструктуры.
Модифицирующие добавки нерастворимых примесей приводят к уменьшению углов разориентировки: в исходной стали они достигают 2°, а в модифицированной нерастворимыми примесями (нитридами) — всего нескольких десятков минут.
Обработка металла растворимыми примесями (азотом) также сопровождается значительным изменением субструктуры, поскольку азот взаимодействует с дислокациями и снижает их подвижность.
Результаты микрорентгеноспектрального анализа хромоникелевых аустенитных сталей и сплавов на основе никеля показали, что модифицирующие присадки примесей практически не оказывают влияния на коэффициенты распределения легирующих элементов в осях и межосных участках дендритов. Однако при этом значительно уменьшаются размеры чередующихся микрообъемов металла, обогащенных и обедненных легирующими элементами.
На рис. 49 в качестве примера приведены кривые распределения хрома в стали Х21Н11B3Л. Сближение пиков снижения и повышения концентраций хрома в модифицированной стали соответствует изменению рельефа дендритной структуры. Минимальные концентрации хрома отвечают отсевым, а максимальные - межосным участкам металла. Такой характер изменения химической микронеоднородности сталей и сплавов является одним из важнейших последствий диспергирования дендритной структуры.
Уменьшение размеров локальных микрообъемов металла, обогащенных и обедненных легирующими элементами, приводит к более полной гомогенизации при термической обработке. В качестве примера на рис. SO показано обнаруженное Ю.З. Бабаскиным распределение хрома в исходном и модифицированном сплаве ЖС-6К.
Неравномерность распределения компонентов в твердом растворе

Уменьшение химической микронеоднородности по хрому в легированных сталях 40XHMЛ и X17H2Л иллюстрируется рис. 51.
Согласно положениям современной теории последовательного затвердевания, модифицирующее влияние добавок примесей на формирование дендритной структуры может являться следствием улучшения примесями условий образования зародышей кристаллизации на подложках и повышения энергии активации роста твердой фазы. Введение каталитически-активных нерастворимых примесей и повышение растворимыми примесями энергии активации роста твердой фазы сопровождаются уменьшением размеров дендритов в кристаллическом слое отливок и в зоне равноосной кристаллизации. По мере дезактивации посредством нагрева до высоких температур, например, случайных нерастворимых примесей в немодифицированном металле и увеличения его переохлаждений измельчаются дендриты.
Неравномерность распределения компонентов в твердом растворе