Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Прочность сплавов при повышенных температурах — жаропрочность — характеризуется пределом длительной прочности, пределом ползучести, уровень которых в значительной степени определяется диффузионно-зависимыми дислокационными механизмами деформации, межзеренным сдвигом. Эффект твердорастворного и дисперсионного упрочнения при этом существенно зависит от стабильности структурного и фазового состава, поскольку ускоренное протекание диффузионных процессов в условиях ликвационной неоднородности химического состава сплава сопровождается деградацией структурно-фазового состояния из-за перерастворения выделений упрочняющих фаз, рекристаллизации с интенсивным разупрочнением сплава.
В общем случае избыточную свободную энергию сплава по отношению к равновесному стабильному структурно-фазовому состоянию можно представить в виде составляющих, обусловленных вкладом свободной химической энергии, энергии точечных, линейных и двумерных (поверхностных) дефектов (соответственно вакансий, дислокаций, границ зерен и межфазных границ). Избыточная свободная химическая энергия сплава определяется неравновесным распределением компонентов в сплаве в виде ликвации на макро- (зональная) к микро- (внутрикристаллитная) уровне и наличием метастабильных структурно-фазовых состояний: пересыщенного твердого раствора, дисперсных выделений избыточных фаз.
Металлические материалы в равновесном состоянии в большинстве случаев не являются оптимальными по своим свойствам.
Подавляющее большинство промышленных сталей и сплавов не находятся в термодинамическом равновесии. Углеродистые стали — наиболее характерный пример материала в метастабильном состоянии, а диаграмма «железо—углерод» — пример метастабильной диаграммы состояний. Вообще существует множество примеров применения воздействия на металлы и сплавы температуры, давления, электрических, магнитных полей, концентрированных потоков энергии с целью получения метастабильного или нестабильного состояния с уникальными свойствами.
Под термодинамически метастабильным состоянием понимают состояние с локальным минимумом термодинамического потенциала (свободной энергии) в зависимости от условий, в которых исследуется система (от термодинамических переменных). В общем случае анализа свободной энергии G метастабильное равновесие определяется условием ∂2G/∂ξ2 ≥ 0, а нестабильное равновесие — условием ∂2G/∂ξ2 ≤ 0. Возможно также существование в течение достаточно продолжительного времени кинетически «замороженного» неравновесного состояния металлических сплавов (для которого ∂G ≠ 0). Для этого состояния характерна заторможенность релаксационных процессов, переводящих сплав в состояние метастабильного равновесия или в термодинамически равновесное состояние, вследствие чего возможно практическое применение сплавов в неравновесном состоянии.
Устойчивость метастабильного структурно-фазового состояния возрастает с увеличением энергии активации при снижении термодинамического стимула (движущей силы) процесса.
Устранение ликвации: гомогенизация сплава, распад твердого раствора и коагуляция выделений — является результатом диффузии, т.е. перераспределения компонентов, сопровождается уменьшением свободной химической энергии сплава и переходом в стабильное состояние.
Степень протекания и скорость гомогенизации зависят от развития ликвации: чем дисперснее структура и ниже обогащение легирующим элементом, тем эффективнее гомогенизационная термообработка, обеспечивающая повышение стабильности структурно-фазового состояния сплава.
Таким образом, если степень легирования сплавов высокая, улучшение их механических свойств, в том числе конструкционной прочности, жаропрочности, износостойкости, коррозионной стойкости и других служебных характеристик, возможно при достаточной однородности состава и структуры. Однако а условиях традиционной технологии выплавки крупных слитков, последующего передела в полуфабрикаты и изделия повышение степени легирования сплава сопровождается увеличением неоднородности. В следующей главе рассмотрим некоторые конкретные примеры структурной и химической неоднородности высоколегированных сплавов.