Структурная наследственность стали

Садовский В.Д.

Металлургия, 1973 г.

ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ  В  СТАРЕЮЩИХ  СПЛАВАХ

В этой главе, не имеющей прямого отношения к структурной наследственности и фазовой перекристаллизации при нагреве стали, речь пойдет о возможности исправления крупнозернистой структуры твердых растворов, основа которых не претерпевает при нагреве и охлаждении 'превращений, сопровождающихся изменением типа кристаллической решетки.

Естественно, что здесь имеется в виду исправление структуры путем термической обработки, без привлечения наклепа и рекристаллизации.

В гл. VI уже указывалось, что существует особый тип распада стареющих сплавов — гетерогенный распад, при котором кристаллиты исходного пересыщенного твердого раствора разбиваются на участки с разной ориентацией. Таким образом, этот тип старения сопровождается перекристаллизацией — в том смысле, что каждое исходное, например, крупное зерно превращается в комплекс по-новому ориентированных объемов, т. е., по существу, крупное зерно заменяется мелким. Монокристалл в результате гетерогенного старения превращается в поликристалл.

Сохранится ли этот результат гетерогенного распада, если теперь нагреть сплав до температур, находящихся в области полного растворения фазы выделения, т. е. выше кривой растворимости (рис. 94). В литературе по этому вопросу встречаются несколько противоречивые данные. Иногда после нагрева сплава, претерпевшего гетерогенный распад, обнаруживалось частичное или полное восстановление исходных кристаллов, в других случаях исходный монокристалл превращался в поликристалл. Рентгеноструктурные и металлографические исследования  позволяют считать, что результат нового нагрева в отношении перекристаллизации зависит от степени предварительного гетерогенного распада. Если удается осуществить полный распад по гетерогенному механизму, то после нагрева до температур однофазной области получается поликристаллическая мелкозернистая структура.

Образцы сплава меди с 4,3% титана перегревали до 930—940°С, выдерживали при этой температуре 2—3 ч для получения крупного зерна и закаливали в воде (рис. 95,а). Последующее старение проводили при 600°С. После старения 30 ч во всем объеме образца наблюдалась только перлитообразная пластинчатая структура как результат полного гетерогенного  распада   (рис. 95,6).

После нагрева до 820°С для растворения фазы выделения (Cu₃Ti) и закалки обнаруживается существенное измельчение зерна (рис. 95,в). Наличие в исходном состоянии — после закалки от 930°С — достаточно крупнозернистой структуры позволяло проводить определение кристаллографической ориентации отдельных зерен и следить за структурными и фазовыми превращениями в пределах одного исходного монокристального зерна. Дли произвольно выбранного зерна «была определена кристаллографическая ориентация (рис. 96,а). После старения в течение 30 ч на лауэграмме не обнаруживается исходной ориентации, а при съемке в характеристическом излучении на рентгенограмме наблюдается типичная для мелкозернистого поликристаллического материала картина (рис. 96,6) с линиями двух фаз.

Микроскопически при этом выявляется, как уже указывалось, перлитообразная структура, характерная для гетерогенного распада (см. рис. 95,6). После нагрева на 820°С фаза выделения растворяется, а на месте бывшего монокристального зерна обнаруживается поликристаллический агрегат, состоящий из зерен (см. рис. 95,в), которые на рентгенограмме дают отдельные четкие рефлексы (рис. 96,е). На лауэграмме не обнаруживается участков со старой ориентацией). Повышение температуры нагрева приводит к разрастанию новых зерен, но старое крупное зерно не восстанавливается, что характерно для полной перекристаллизации.

Напротив, после частичного распада новые зерна зарождаются только в участках, в которых были расположены ячейки распада (рис. 97). Интересно, что нагрев после частичного распада может приводить и к восстановлению исходных зерен, если в процессе нагрева или выдержки образовавшиеся на месте ячеек распада новые зерна окажутся поглощенными имеющимися участками нераспавшегося исходного твердого раствора.

Металлографическое исследование показывает, что это поглощение происходит аналогично описанному в гл. VII процессу перехода перлитных участков в состояние аустенита. Граница .ячейки продвигается от периферии к центру, оставляя за собой однофазную область с ориентацией окружающей матрицы ( рис. 98). Эта миграция границы может привести к полному поглощению ячейки распада. Но может быть и так, что процесс растворения фазы выделения, происходящий во внутренней зане ячейки распада за счет объемной диффузии, завершится прежде, чем достигнет этой зоны двигающаяся извне граница. Тогда движение границы прекращается и структура стабилизируется в некотором промежуточном состоянии: какая-то часть объема исходного зерна восстанавливается в меру успевшей пройти миграции границ, какая-то часть объема ячеек распада сохраняется, образуя новые зерна или еще чаще придавая извилистую форму имеющимся границам (см. рис. 98).

Как известно, в механизме гетерогенного распада значительная роль отводится ускоренной диффузии вдоль мигрирующей границы разрастающейся ячейки распада [92]. Поглощение ячейки распада при нагреве является процессом обратным по отношению к распаду. Здесь наличие высокоугловой границы помогает растворению фазы выделения, и возвращение к устойчивому состоянию однофазного твердого раствора развивается в меру продвижения этой границы в направлении, обратном ее движении. Β процессе распада, когда она являлась средством ускорения при достижении двухфазного равновесия. Итак, измельчение кристаллитной структуры, происходящее в сплавах, претерпевающих гетерогенный распад при старении, может сохраняться полностью или частично после нагрева в область однофазного твердого раствора. Этот простой эффект может быть использован для исправления крупнозернистой структуры в стареющих сплавах, претерпевающих распад по гетерогенному механизму [118, 96].

В гл. IV приводились примеры, показывающие, что существование полиморфного превращения не обязательно влечет за собой возможность фазовой перекристаллизации (титан, кобальт). В рассмотренном случае, напротив, фазовая перекристаллизация оказывается возможной при отсутствии превращения, сопровождающегося изменением кристаллической решетки основы сплава. Любопытно, что в данном случае перекристаллизация происходит в процессе распада при отпуске (старении), и последующий нагрев выше кривой растворимости в основном, только выявляет уже сформировавшуюся кристаллитную структуру сплава.

Итак, фазовая перекристаллизация возможна и в таких пересыщенных твердых растворах, основа которых не .претерпевает превращений, сопровождающихся изменением кристаллической решетки, если распад при старении осуществляется гетерогенным механизмом.