Термодинаміка мартенситного перетворення

Г. Йогансон вперше застосував до мартенситного перетворення термодинамічний аналіз фазового переходу і сформулював критерій мартенситного перетворення. Потім цей аналіз отримав розвиток в роботах К Зінера, Ф.К. Фішера, М. Коена, Л. Кауфмана і інших авторів. Хоча основні положення термодинамічного аналізу є справедливими для усіх типів мартенситного перетворення, але найбільш вдалі розрахунки зроблені тільки для g®α_М-перетворення в сталях і сплавах на основі заліза.

При охолодженні аустеніт перетворюється в мартенсит внаслідок того, що при деяких температурах вільна енергія мартенситу є меншою, ніж аустеніту, тобто . У відповідності до термодинамічного принципу така система намагається перейти у стан з меншою вільною енергією. Вільна енергія мартенситу і аустеніту залежить від хімічного складу і температури, внаслідок цього її часто називають «хімічною» вільною енергією. Тому що аустеніт і мартенсит мають один і той самий хімічний склад, то при розрахунку вільної енергії g- і α_М-фаз достатньо враховувати тільки її залежність від температури.

Для будь-якого конкретного сплаву може існувати температура Т₀, при якій вільні енергії обох фаз є рівними, тобто . При будь-якій іншій температурі різниця вільних енергій є позитивною, коли більш стійким є мартенсит, і негативною, коли він є менш стійким, ніж аустеніт (рис. 4.7). Величина визначає рушійну силу перетворення. Згідно за схемою (рис. 4.8) при охолодженні сплаву з аустенітної області мартенситне перетворення починається не одразу після переходу через Т₀, а в точці М_S, яка знаходиться значно нижче Т₀, і закінчується в точці М_f. Для сталей з різним вмістом вуглецю величина переохолодження .

Рисунок 4.7 – Залежність вільної енергії аустеніту і мартенситу від температури

Рисунок 4.8 – Вплив концентрації легуючих елементів на температуру прямого М_S-М_f та зворотного A_S і A_f мартенситного перетворення

Аналогічна картина спостерігається при нагріві мартенситу, який починає перетворюватись в аустеніт при температурі А_S вище Т₀, і закінчується перехід в точці А_f. Отже, пряме і зворотне мартенситне перетворення проходять не при однаковій температурі, тобто спостерігається гістерезис мартенситного перетворення, який характеризується величиною . Головною причиною цього явища може бути значна енергія пружних деформацій , «пружна деформація», яка виникає в процесі утворення кристалів мартенситу, а також поверхнева енергія , яка необхідна для створення межі розділу між аустенітом і мартенситом. Ці два види додаткових енергетичних витрат необхідно враховувати у загальному балансі вільних енергій

(4.5)

«Нехімічна» вільна енергія впливає на температуру М_S протилежно до хімічної рушійної сили . Мартенситне перетворення починається тільки тоді, коли з’являється рушійна сила перетворення, тобто коли , а, отже, . Тому для початку утворення мартенситу температура зразка повинна знизитися нижче, ніж Т₀ настільки, щоб виграш у хімічній вільній енергії завдяки зміні гратки міг компенсувати витрати енергії на пружну деформацію і утворення межі розділу .

Вказані вище принципи знаходяться в основі термодинамічних розрахунків мартенситного перетворення.

Поиск по сайту: